我国观测到迄今最亮伽马射线暴

中国科学院高能物理研究所负责建设和运行管理的中国高海拔宇宙线观测站（“拉索”）、科学载荷“高能爆发探索者”和“慧眼”卫星三大科学装置，近日同时探测到迄今最亮的伽马射线暴（GRB 221009A）。这是我国首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测，打破了伽马射线暴亮度最高、光子能量最高、探测能量范围最高等多项伽马射线暴观测纪录，对于揭示伽马射线暴的爆发机制具有重要价值。

图1：GRB 221009A爆发时刻在LHAASO视场中的位置（中科院高能所供图）

伽马射线暴是宇宙中最剧烈的天体爆发现象，首次发现于上世纪60年代。伽马射线暴短至几毫秒，长达数小时，释放的能量超过太阳在其一生辐射能量的总和。持续时间较长的伽马射线暴产生于比太阳大几十倍的恒星星体坍缩爆炸，而持续时间较短的伽马射线暴则产生于两个致密天体（如黑洞或中子星）合并爆炸，还可能伴随发射引力波。

伽马射线暴的观测研究是天文前沿领域，近年来不断取得重大突破。2017年8月17日，在一个由两颗中子星合并爆炸产生的伽马射线暴之前观测到伴随产生的引力波，这是人类首次在电磁波和引力波窗口同时观测宇宙天体，开启了多信使天文学的新时代。

此次，迄今最亮的GRB 221009A伽马射线暴，近日被三大科学装置同时探测到。在这个伽马射线暴发生之前，人类探测到的伽马射线暴亮度纪录保持者是2013年4月27日发生的编号为GRB 130427A的一个伽马射线暴，全世界几乎所有重要望远镜都进行了观测。

本次观测中，“拉索”将伽马射线暴光子最高能量纪录提升近20倍，在国际上首次打开10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口，并与“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”一起，发现这个爆发事件比以往人类观测到的最亮伽马射线暴亮了10倍以上。

图2：慧眼卫星观测迄今最亮的伽马射线暴（GRB 221009A）。在伽马射线暴发生前后，慧眼卫星恰好在对该天区进行扫描观测，绿色点线代表望远镜指向的扫描轨迹

本次探测到的高强度爆发，发生在距离地球24亿光年处。如此明亮的伽马射线爆发，预计每几十年甚至百年才会出现一次。本次“拉索”探测到了大量的高能光子，最高光子能量达到了18万亿电子伏，在国际上首次打开了10万亿电子伏波段的伽马射线暴观测窗口。

“拉索”实验中科院高能所团队首席科学家曹臻研究员说：“这次‘拉索’在千亿电子伏以上的甚高能区记录到几万个光子信号，将给出伽马射线暴最高能段的光变曲线最精细的测量。”

凭借先进的探测器设计，“高能爆发探索者”成功对伽马射线暴GRB 221009A的软伽马射线光变特征进行高精度观测，展现出初期爆发和后随闪耀的演化过程。“慧眼”卫星的高能、中能和低能X射线望远镜首次在伽马射线暴观测中同时探测到信号，而且因为“慧眼”卫星当时正在扫描观测该天区，从而对这个迄今最亮伽马射线暴的余晖进行了及时监测。

得益于中科院高能所近些年天地一体化观测能力建设的高速发展，尤其是“拉索”的成功建造和运行占据国际领先地位，高能所首次实现对伽马射线暴的天地多手段联合观测，并独家实现从最高的十几万亿电子伏光子（“拉索”）到百万电子伏伽马射线（“高能爆发探索者”）和千电子伏X射线（“慧眼”卫星）的多谱段精细测量，跨越超9个量级。

曹臻说：“在过去半个多世纪探测到的数千个伽马射线暴中，最高能量光子达到大约1万亿电子伏（TeV）。本次‘拉索’探测到大量的高能光子，最高光子能量达到18万亿电子伏。”

“拉索”是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，由中国自主提出并设计建造。该观测站位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，主体工程于2021年7月完成建设并投入科学运行，是目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线天文台，其运行开启了“超高能伽马天文学”观测时代。捕捉和高统计量观测伽马射线暴是“拉索”的重要科学目标之一，此次亮度空前的爆发正好发生在“拉索”视场的中心附近，为完成该项科学目标奠定了强大的观测基础。

“慧眼”卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星，于2017年6月发射运行，在轨观测5年多来，已在黑洞、中子星、快速射电暴等方面取得一大批重要原创成果。

“高能爆发探索者”是今年7月发射的空间新技术试验卫星的主要科学载荷之一，它采用“怀柔一号”卫星所开创的新型探测技术以及基于北斗短报文的准实时星地通信方案，能够迅速下传观测数据。“高能爆发探索者”目前处于在轨测试阶段，预计将获得更多重要成果。

伽马射线暴GRB 221009A发生后，“拉索”实验中科院高能所团队迅速展开数据分析，在爆发后不到两天就通过伽马射线暴协同观测网（GCN）向国际同行发布初步观测结果。进一步的数据分析和科学研究正由“拉索”国际合作组成员全力开展。中科院高能所“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”观测运行团队、载荷团队和数据分析团队正迅速投入观测分析，并及时启动机遇观测。在项目团队密切协作下，“慧眼”卫星和“高能爆发探索者”已得到初步分析结果，并通过天文电报和伽马射线暴协同观测网向国际同行发布。

目前，探测结果已在国际引发巨大反响，大量相关研究展开，涌现出关于新物理可能性的许多讨论。这些测量对宇宙中存在的背景光场等基本物理参数和模型将作出强烈的限制，预计会产生重要的认知水平提升。

视频：什么样的实验室要建在地下700米？

什么是“伽马射线暴”？长什么样？研究它有什么用？

星空其实潜藏着很多剧烈的天体活动，比如恒星的生老病死、星系与星系的碰撞，这些过程都会爆发出巨大的能量。

有一类天文现象，它们的产生过程和观测表现都跟常见的烟花有很多相似之处，它们就是伽马射线暴（Gamma-Ray Burst），简称伽马暴。伽马射线暴最明显的特征是它有一对喷流。如果喷流正对着我们，我们就能观测到它。

作者 | 熊少林

本文转载自微信公众号“中科院高能所”（ID：casihep），原文首发于2020年6月19日，标题为《带你去看宇宙最美的烟花——伽马射线暴 | “小粒子 大宇宙”科学公开课》，不代表瞭望智库观点。

【Q1- “伽马射线”和“伽马射线暴”，分别是什么？】

伽马射线是电磁波的一种，电磁波就是光。大家可能做过三棱镜分光实验。白光经过三棱镜会分成赤橙黄绿青蓝紫，不同颜色的光具有不同的频率，波长和能量也不同，不过它们都是可见光，因为能被我们的肉眼看到。

三棱镜分光实验

伽马射线也是一种光，但是肉眼不可见，这是因为它的能量特别高，比普通的可见光的能量高成千上万倍。其实，伽马射线在生活中有很广泛的应用，我们对它并不陌生，比如在医院拍X光（也叫软伽马射线），机场车站的安检设备使用伽马射线检测行李。

电磁波谱

伽马射线暴，是指宇宙中有一个天体突然爆发，辐射出来非常多的伽马射线光，根据观测现象命名为伽马射线暴。

在天文观测中，我们通常使用一个概念：光变曲线（下图）。它记录每一秒钟我们接收到多少个光子，从而描述伽马射线的亮度随时间的变化。就像烟花发出的光的亮度也是随时间变化的。烟花发出的是可见光，肉眼能看见它，而伽马暴发出的主要是伽马射线，肉眼看不见。这就是为什么我们仰望星空的时候基本看不见伽马暴。

上图：伽马暴爆发时亮度匹配整个宇宙。下图：伽马暴的光变曲线

【Q2 - 如何观测伽马射线暴？】

既然肉眼看不见，那么我们是如何发现它的呢？它是在1967年由一组叫做Vela的间谍卫星偶然发现的。Vela原本是美国用来监测前苏联核试验的卫星网络，核武器爆炸会发射伽马射线，从太空中可以观测到。有趣的是，Vela卫星没有监测到核试验的伽马射线，反而很意外地发现了来自宇宙的伽马射线。后来数据解密了，1973年科学家把数据公布了，宣布发现了伽马暴。下图是Vela卫星和人类观测到的首个伽马射暴的光变曲线。

上图：用于监测地面核试验的Vela卫星；下图：Vela观测到的第一个伽马射线暴

【Q3 - 为什么说伽马暴是宇宙中最亮的呢？】

我们日常感觉太阳是最亮的，伽马暴能比太阳还亮吗？伽马暴虽然持续的时间比较短，但它在几分钟甚至几秒钟之内释放的能量，相当于太阳在亿万年寿命中释放的能量总和。因此，太阳跟伽马暴完全不可相提并论。实际上，伽马暴是目前已知的能量最高的恒星级爆发现象，当伽马暴发生的时候，其明亮程度可以媲美整个宇宙，当之无愧的宇宙最亮。

【Q4 - 像伽马暴这样明亮而极端的天文事件是不是很罕见呢？】

你可能会觉得它一定很罕见吧，因为按照常识来讲，极端的现象都是很罕见的。然而，伽马暴并不罕见，甚至可以说非常常见。目前平均每天能够探测到的伽马暴就有两个左右，亮度较低而探测不到的伽马暴甚至更多。事实跟我们的直觉相反的原因是，宇宙是如此的广袤，每个星系里面有千亿颗恒星，而宇宙中又包括千亿个星系，所以我们可以想象，哪怕只有很少一部分恒星能产生伽马暴，伽马暴的数量也会非常多。

探测到的伽马射线暴

伽马暴就像烟花一样，持续时间可长可短。有的长达几分钟，甚至几个小时，有的则短至几个毫秒，也就是千分之几秒。伽马暴的持续时间为什么会有这么大的差异呢？这是因为产生伽马暴的恒星的尺寸有很大的差异，有的恒星直径特别小，只有几十公里；有的恒星直径特别大，达到百万甚至上亿公里。一般来说，直径越大的恒星，产生伽马暴的持续时间也越长。

伽马射线暴持续时间

还有一点很有趣，就像烟花发出的光具有不同的颜色，伽马暴发出的光也有不同的颜色。换句话说，我们可以用不同颜色的光来观看伽马暴。但是绝大部分的伽马暴所发出的光都集中在伽马射线波段，而且也只在伽马射线波段被观测到。然而也有例外，比如在2008年，也就是北京奥运会那一年，发生过一个极端的伽马暴，其可见光用肉眼就可以观测到。

伽马射线暴发出各种波段的光，右下角是在光学和X射线波段的观测效果

【Q5 - 伽马暴究竟是如何产生的呢？】

这是科学家仍在研究的课题。我们现在相信，持续时间较长的伽马暴是恒星演化到寿命末期，因为恒星中心的核反应所释放的热量不足而无法支撑星体巨大的压力，产生坍塌爆炸而在恒星中心形成黑洞，黑洞吞噬恒星的物质并喷射出高能量的喷流，就像发射烟花那样，产生伽马暴。另外一些持续时间较短的伽马暴由两颗密度极高的天体（叫做致密星，恒星坍塌爆炸的产物，包括黑洞或中子星等）绕转、并合产生，这两颗致密星就像月亮绕着地球转一样。它们在绕转的过程中，距离越来越近，最后碰撞产生剧烈的爆炸，也可能产生黑洞，黑洞吞噬周围的物质并喷射喷流，从而产生伽马暴。

伽马暴的产生过程

【Q6 - 为什么要研究伽马暴？】

伽马暴既然肉眼看不见，距离我们又那么远，跟我们有关系吗？为什么要研究它呢？通过研究伽马暴，我们能够探索整个宇宙、星系和恒星，能够了解宇宙的过去和现在，预测宇宙的未来，还能够解释地球上的这么多化学元素是怎么形成的。特别是其中的一些贵重金属，比如说金子，最近的研究成果表明它就是来自伽马暴。也许伽马射线暴还跟恐龙灭绝有关。此外，大家可能看过《星际穿越》这部电影，里面有个名叫“卡冈图雅”的黑洞，黑洞周围时间会变慢，非常的神奇。如果你想研究黑洞，最好的研究手段之一就是去研究伽马暴，因为每一个伽马暴都可能形成了一个黑洞。当我们观测到一个伽马暴的时候，也许正在见证一个黑洞的诞生。

电影《星际穿越》画面

【Q7 - 如何观看伽马射线暴？】

首先，观测伽马暴的最佳地点是在太空，因为伽马射线无法穿透大气层。也幸亏有大气层的保护，这种高能的射线才不能伤害地球上的生命。当然，这对我们观测伽马暴就造成了一定的困难。但是没关系，目前人类的太空技术已经很发达，我们可以把观测设备安装在卫星上，用火箭把卫星发射到太空去。相当于把望远镜从地面搬到了太空。

上图：“天宫二号”空间实验室搭载的天极望远镜（2016年发射）；下图：慧眼空间X射线望远镜卫星（2017年发射）

主要进行天文观测的卫星叫做空间望远镜，因为它们运行在地球大气层之外的宇宙空间。全世界已经发射了一系列的空间望远镜。我们中国的伽马暴望远镜主要包括：搭载于“天宫二号”空间实验室的天极望远镜，以及2017年发射的慧眼空间X射线望远镜卫星。此外，全世界的科学家们正在努力建造更多的伽马暴望远镜，其中包括我和我的同事正在建造的GECAM卫星，计划今年年底发射升空。GECAM卫星包括两颗微小卫星，每颗卫星都可以监测至少一半的天空，两颗卫星联合起来就可以对全部的天空进行完整的监测，使伽马暴无可遁形。所以，GECAM卫星将是观测伽马暴的小能手。

新的伽马暴捕手：GECAM卫星

不同类型的望远镜擅长观测的电磁波波段也是不同的。有的望远镜擅长观测伽马射线，比如中国的慧眼卫星；有的擅长观测可见光，比如美国哈勃望远镜，它在前不久刚度过了30岁生日；还有的擅长观测射电波段，比如中国在贵州建造的500米口径球面射电望远镜——天眼（FAST）。

为了把伽马暴研究得更清楚，科学家用各种类型的望远镜观测伽马暴。一方面是因为伽马暴在不同的电磁波段表现出不同的性质，我们需要在不同波段对它进行观测研究，就需要不同的望远镜；另一方面，每台望远镜都有自己的优势和不足，我们需要把各种望远镜的优势结合起来，对伽马暴进行最好的观测研究。最后，要确定伽马暴从哪里来，来自哪个星系的哪颗星星，是非常重要但也非常困难的事情，需要使用多种类型的望远镜像接力赛一样进行接力观测。

各种望远镜联合观测伽马暴

【Q8 - 我们能否听见伽马暴的声音？】

我们既能看见烟花的光，又能听见烟花的声音，那么我们除了看见伽马暴的光，能否听见伽马暴的声音呢？答案是不能，因为伽马暴距离我们太远，而且真空不能传递声音，所以我们听不见伽马暴发出的声音。不过，我们可以通过引力波来“聆听”黑洞的“初啼”和伽马暴的“呐喊”。

伽马暴是如何产生引力波的呢？如果把整个宇宙比作一个池塘，那么伽马暴就相当于是投入池塘的石子。投入池塘的石子会产生涟漪，那么引力波就像这些波纹，从伽马暴发生的位置传播到我们的地球。因为引力波的频率跟声音相似，所以我们将它比作天体发出的“声音”。科学家们已经用引力波探测器，探测到了来自伽马暴发出的这种特殊的“声音”。它听起来像什么呢？非常有趣的是，它听起来像小鸟的叫声，因此科学家们给它取名叫“啁啾”信号。

上图：两个天体绕转发出引力波，下图：2017年8月17日观测到两颗中子星绕转并合既产生了引力波又产生了伽马暴

（文末声明：除了天宫二号、慧眼和GECAM，其它图片来自网络，版权归原作者所有。）

原文首发于《人民日报》2022年10月18日第14版，原标题为《我国观测到迄今最亮伽马射线暴（科技自立自强） 天地多手段联合观测，打破多项观测纪录，对于揭示爆发机制具有重要价值》。

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