千年一遇的“宇宙烟火”

“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜观测迄今最亮伽马暴示意图。中科院高能物理所供图

那是一个瞬间照亮宇宙的时刻。

一场极端的天体爆发，产生了极为狭窄、极端明亮、接近光速运动的喷流，各向同性能量相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量。当喷流恰好对准地球时，相距24亿光年的人类才有机会探测到这些辐射，看到了千年一遇、迄今最亮的“宇宙烟火”。

“全球很多天文科学家因此沸腾了。”中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、“慧眼”卫星首席科学家张双南说。

这一瞬间被“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜捕获。它们成功地在硬X射线和软伽马能段，对该伽马射线暴（以下简称“伽马暴”）的瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量，发现其具有迄今观测到的最大亮度，将伽马暴的亮度纪录提升了50倍。

3月29日凌晨2点，中国科学院高能物理研究所与全球40余家科研机构联合发布对迄今最亮伽马暴（编号GRB 221009A）的研究成果。这一发现为千年一遇的天体爆发的研究作出了独特贡献。

让全球科学家沸腾的“光”

“我们不期望在有生之年能够再看到一次。”张双南感叹。

伽马暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象，包括两种类型，一类产生于很大质量恒星的核心坍缩爆炸，持续时间通常长于2秒，此次发现的伽马暴即属于此类。另一类产生于两颗极端致密天体（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持续时间通常短于2秒，并同时发出引力波。

这两类天体爆炸均能产生一颗黑洞或中子星等极端致密天体，其通过极强引力吞噬周围物质并以接近光速从两极喷射物质，形成一对相反方向的喷流。喷流内部的激波或磁重联等过程加速带电粒子产生伽马射线辐射，称之为瞬时辐射；喷流和周围的星际介质相互作用也能产生辐射，称之为余辉。

“只有喷流恰好对准地球时，人类才有机会探测到这些辐射。” 张双南解释，距离地球较近的大质量恒星核心坍缩爆炸，且能产生巨大能量、狭窄喷流的现象非常少见，“今后千年的时间里，科学家们都不太可能观测到这个现象，这也意味着后续数十代的科学家都只能依赖此次观测数据展开研究。”

1967年，自人类发现首个伽马暴以来，已探测到近万例伽马暴。2022年10月9日，包括中国科学院高能物理研究所牵头建造的空间和地面观测设备在内的全球众多天文设施，均观测到这个迄今最亮的伽马暴，其产生于距离地球24亿光年的宇宙深处。

“上一次，高亮度伽马暴发生的时候，或许是在一万年前，我们还是山顶洞人，或许是在千年之前，那时我们的科学技术还没有发展起来。如今人类技术进入了观测时代，中国就有两个望远镜可以精准探测。”美国内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰提到，在所有天体活动中，越是极端的现象，出现的数目就越少。如果错过了这次机会，人类可能还要再等到上千年或者上万年。

“伽马暴的出现是随机的，当它出现的时候会照亮整个宇宙。”张冰提到，该伽马暴具有极端的亮度和相对较近的距离，可以称之为千年一遇的历史性事件。

中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心副主任、研究员、“极目”空间望远镜首席科学家熊少林进一步解释：“这次有3个地方很特殊，它离我们很近，辐射出来的单位立体角能量非常高，张角也很小，这3个因素结合起来，大概是千年间才能看到这样的伽马暴。”

没有被“亮瞎眼”的“双目”

这场“宇宙烟火”有多亮？

基于“极目”空间望远镜的精确观测数据，研究团队发现该伽马暴具有迄今探测到的最高亮度，并将伽马暴亮度纪录提升了50倍。

从能量角度去理解，由于伽马暴距离地球十分遥远，对它发出的所有伽马射线来说，人类可以探测到的只是沧海一粟，通常无法知晓伽马暴向人类视线之外的方向辐射了多少能量。

研究团队作了一个假设，如果伽马暴向各个方向辐射了几乎相同数量的伽马射线，那么根据探测到的伽马射线和伽马暴的距离，可计算该伽马暴向各个方向发出的所有伽马射线的总能量，即各向同性能量。

“这个伽马暴的各向同性能量打破了纪录，超过10的55次方尔格，相当于在1分钟内释放8个太阳质量的全部能量。”熊少林说。

我国专门为探测伽马暴和引力波电磁对应体而建造的“极目”空间望远镜，联合我国首台空间X射线天文望远镜“慧眼”卫星，在硬X射线和软伽马射线能段精确刻画了该伽马暴从前兆辐射到主暴、耀发以及早期余辉的各个关键阶段的辐射性质。

中科院高能所粒子天体物理中心研究员、“极目”空间望远镜载荷总师李新乔打了一个形象的比喻，如果肉眼去直视太阳，人类很难承受刺眼的光亮。但是如果戴上了太阳镜，就能清楚地观测太阳。

由于该伽马暴亮度极高，国际上绝大多数探测设备发生了严重的数据饱和丢失等问题，无法获得精确测量结果。

“我们把伽马暴最难测量的部分，也就是伽马暴最亮的部分进行了精确测量。这在国际上是独一无二的。”熊少林说。

2022年发射的“极目”空间望远镜是这次重大发现的“大功臣”。熊少林解释，这颗卫星的轨道会穿过一些噪声比较高的区域，一般的做法是在经过这些区域时关掉探测器。如果12个探测器全部开机，那么设备会产生巨大的数据量。国际上大部分探测器因此发生了数据饱和、丢失等问题。

“我们没这么做，让它保留一个探测器开机。” 熊少林介绍，此次观测，“极目”空间望远镜处在一种特殊的工作模式中，依靠保留的探测器获得了精准探测的重要产出。让他觉得幸运的是，如果没有此类设计，那么人类就没有一个设备能够完成此次精准测量，将会与千年一遇的伽马暴擦肩而过。

幸好，没有被“亮瞎”的“双目”展开了精巧的工作。“极目”空间望远镜正好处于能够记录极高伽马射线流强的特殊观测模式，避免了因极端亮度而容易产生的数据饱和丢失、信号堆积、死时间过大等各种仪器效应，成功对该伽马暴极端明亮的主暴进行了完整而精确的探测。而“慧眼”卫星配备的高能X射线望远镜，凭借其在兆电子伏能区最大的有效面积，成功探测到该伽马暴，并获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

熊少林说，此次还采取了天地联合观测，配合天上运行的两颗卫星，地面有高海拔宇宙线观测站展开了详细观测，具体数据后续将重磅公布。

欧洲一位科学家菲利波·弗龙泰拉说：“在对这次事件的众多观测里，破纪录的GRB221009伽马暴的结果，是非常具有挑战性和独特性的。这些极高质量的数据源于‘慧眼’卫星和‘极目’空间望远镜的巧妙设计。而且只有一个非常有经验的团队，才能圆满完成这些优秀的设计。”

人类正揭开极端宇宙爆发真相的一角

一个亮度提升了50倍的伽马暴能透露哪些宇宙信息？

“亮源会有两种可能性，第一个是离地球非常近，第二个是源本身能力和广度非常大。”张冰解释，好比人类去看一个蜡烛和一座灯塔，往往会觉得蜡烛更亮，那是因为蜡烛离人的距离更近。

通过观测发现，伽马暴距离地球24亿光年。从“慧眼”和“极目”的联合观测结果可以推测，该伽马暴的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得非常早，意味着产生伽马射线的喷流非常狭窄，是人类探测到的最狭窄的伽马暴喷流之一。

研究团队认为，极为狭窄的喷流可能是该伽马暴看上去极端明亮的原因之一。“本次‘慧眼’和‘极目’的观测研究对于深入理解这种极端宇宙爆发现象提供了崭新视角。”张双南说。

精准探测的数据只是揭开了极端宇宙爆发真相的一角。

“伽马暴为什么这么亮？为什么能够产生狭窄的喷流？如有一部分伽马暴可以产生引力波。那么什么样的引力波事件可以产生伽马暴？”熊少林认为，对于伽马暴领域来说，有更多未解之谜。

“这一谜底的揭开需要一代又一代人的梦想接力。” 中科院院士、“慧眼”卫星提出者、预研和工程研制阶段首席科学家李惕碚说。

1993年，李惕碚、吴枚等人提出“慧眼”卫星项目建议。自2017年6月15日发射升空以来，“慧眼”卫星已在轨稳定运行超过5年，在黑洞、中子星、快速射电暴等领域硕果累累。2022年7月27日，“极目”卫星搭载中国科学院微小卫星创新研究院牵头研制的空间新技术试验卫星发射入轨，“睁眼”看到了一大批伽马暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等高能爆发现象。

“多年前我们使用的是国外的天文数据。外国人一个电话就能知道最新的天文数据，而我们要到第二天才能知道。”李惕碚说。

如今中国有了自己的天文数据。李惕碚认为：“说我们中国没有第一手的数据，那个时代已经过去了。”

他并不满足于此，“现在发现的还是现象，只有提出理论创新，才有可能推动科研突破。”

下一步，中国科学家们将对迄今最亮伽马暴进行更加深入的研究，与国际科研机构联合，利用两个望远镜开展更多伽马暴的探测数据，部署新的空间项目计划。

中青报·中青网见习记者杨洁

来源：中国青年报