“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖。中科院高能物理所供圖
那是一個瞬間照亮宇宙的時刻。
一場極端的天體爆發，產生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流，各向同性能量相當于在1分鐘內釋放8個太陽質量的全部能量。當噴流恰好對準地球時，相距24億光年的人類才有機會探測到這些輻射，看到了千年一遇、迄今最亮的“宇宙煙火”。
“全球很多天文科學家因此沸騰了。”中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛星首席科學家張雙南說。
這一瞬間被“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡捕獲。它們成功地在硬X射線和軟伽馬能段，對該伽馬射線暴（以下簡稱“伽馬暴”）的瞬時輻射和早期余輝進行了國際最高精度的測量，發現其具有迄今觀測到的最大亮度，將伽馬暴的亮度紀錄提升了50倍。
3月29日凌晨2點，中國科學院高能物理研究所與全球40余家科研機構聯合發布對迄今最亮伽馬暴（編號GRB 221009A）的研究成果。這一發現為千年一遇的天體爆發的研究作出了獨特貢獻。
讓全球科學家沸騰的“光”
“我們不期望在有生之年能夠再看到一次。”張雙南感嘆。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現象，包括兩種類型，一類產生于很大質量恒星的核心坍縮爆炸，持續時間通常長于2秒，此次發現的伽馬暴即屬于此類。另一類產生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持續時間通常短于2秒，并同時發出引力波。
這兩類天體爆炸均能產生一顆黑洞或中子星等極端致密天體，其通過極強引力吞噬周圍物質并以接近光速從兩極噴射物質，形成一對相反方向的噴流。噴流內部的激波或磁重聯等過程加速帶電粒子產生伽馬射線輻射，稱之為瞬時輻射；噴流和周圍的星際介質相互作用也能產生輻射，稱之為余輝。
“只有噴流恰好對準地球時，人類才有機會探測到這些輻射。” 張雙南解釋，距離地球較近的大質量恒星核心坍縮爆炸，且能產生巨大能量、狹窄噴流的現象非常少見，“今后千年的時間里，科學家們都不太可能觀測到這個現象，這也意味著后續數十代的科學家都只能依賴此次觀測數據展開研究。”
1967年，自人類發現首個伽馬暴以來，已探測到近萬例伽馬暴。2022年10月9日，包括中國科學院高能物理研究所牽頭建造的空間和地面觀測設備在內的全球眾多天文設施，均觀測到這個迄今最亮的伽馬暴，其產生于距離地球24億光年的宇宙深處。
“上一次，高亮度伽馬暴發生的時候，或許是在一萬年前，我們還是山頂洞人，或許是在千年之前，那時我們的科學技術還沒有發展起來。如今人類技術進入了觀測時代，中國就有兩個望遠鏡可以精準探測。”美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰提到，在所有天體活動中，越是極端的現象，出現的數目就越少。如果錯過了這次機會，人類可能還要再等到上千年或者上萬年。
“伽馬暴的出現是隨機的，當它出現的時候會照亮整個宇宙。”張冰提到，該伽馬暴具有極端的亮度和相對較近的距離，可以稱之為千年一遇的歷史性事件。
中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心副主任、研究員、“極目”空間望遠鏡首席科學家熊少林進一步解釋：“這次有3個地方很特殊，它離我們很近，輻射出來的單位立體角能量非常高，張角也很小，這3個因素結合起來，大概是千年間才能看到這樣的伽馬暴。”
沒有被“亮瞎眼”的“雙目”
這場“宇宙煙火”有多亮？
基于“極目”空間望遠鏡的精確觀測數據，研究團隊發現該伽馬暴具有迄今探測到的最高亮度，并將伽馬暴亮度紀錄提升了50倍。
從能量角度去理解，由于伽馬暴距離地球十分遙遠，對它發出的所有伽馬射線來說，人類可以探測到的只是滄海一粟，通常無法知曉伽馬暴向人類視線之外的方向輻射了多少能量。
研究團隊作了一個假設，如果伽馬暴向各個方向輻射了幾乎相同數量的伽馬射線，那么根據探測到的伽馬射線和伽馬暴的距離，可計算該伽馬暴向各個方向發出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。
“這個伽馬暴的各向同性能量打破了紀錄，超過10的55次方爾格，相當于在1分鐘內釋放8個太陽質量的全部能量。”熊少林說。
我國專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應體而建造的“極目”空間望遠鏡，聯合我國首臺空間X射線天文望遠鏡“慧眼”衛星，在硬X射線和軟伽馬射線能段精確刻畫了該伽馬暴從前兆輻射到主暴、耀發以及早期余輝的各個關鍵階段的輻射性質。
中科院高能所粒子天體物理中心研究員、“極目”空間望遠鏡載荷總師李新喬打了一個形象的比喻，如果肉眼去直視太陽，人類很難承受刺眼的光亮。但是如果戴上了太陽鏡，就能清楚地觀測太陽。
由于該伽馬暴亮度極高，國際上絕大多數探測設備發生了嚴重的數據飽和丟失等問題，無法獲得精確測量結果。
“我們把伽馬暴最難測量的部分，也就是伽馬暴最亮的部分進行了精確測量。這在國際上是獨一無二的。”熊少林說。
2022年發射的“極目”空間望遠鏡是這次重大發現的“大功臣”。熊少林解釋，這顆衛星的軌道會穿過一些噪聲比較高的區域，一般的做法是在經過這些區域時關掉探測器。如果12個探測器全部開機，那么設備會產生巨大的數據量。國際上大部分探測器因此發生了數據飽和、丟失等問題。
“我們沒這么做，讓它保留一個探測器開機。” 熊少林介紹，此次觀測，“極目”空間望遠鏡處在一種特殊的工作模式中，依靠保留的探測器獲得了精準探測的重要產出。讓他覺得幸運的是，如果沒有此類設計，那么人類就沒有一個設備能夠完成此次精準測量，將會與千年一遇的伽馬暴擦肩而過。
幸好，沒有被“亮瞎”的“雙目”展開了精巧的工作。“極目”空間望遠鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強的特殊觀測模式，避免了因極端亮度而容易產生的數據飽和丟失、信號堆積、死時間過大等各種儀器效應，成功對該伽馬暴極端明亮的主暴進行了完整而精確的探測。而“慧眼”衛星配備的高能X射線望遠鏡，憑借其在兆電子伏能區最大的有效面積，成功探測到該伽馬暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質量數據。
熊少林說，此次還采取了天地聯合觀測，配合天上運行的兩顆衛星，地面有高海拔宇宙線觀測站展開了詳細觀測，具體數據后續將重磅公布。
歐洲一位科學家菲利波·弗龍泰拉說：“在對這次事件的眾多觀測里，破紀錄的GRB221009伽馬暴的結果，是非常具有挑戰性和獨特性的。這些極高質量的數據源于‘慧眼’衛星和‘極目’空間望遠鏡的巧妙設計。而且只有一個非常有經驗的團隊，才能圓滿完成這些優秀的設計。”
人類正揭開極端宇宙爆發真相的一角
一個亮度提升了50倍的伽馬暴能透露哪些宇宙信息？
“亮源會有兩種可能性，第一個是離地球非常近，第二個是源本身能力和廣度非常大。”張冰解釋，好比人類去看一個蠟燭和一座燈塔，往往會覺得蠟燭更亮，那是因為蠟燭離人的距離更近。
通過觀測發現，伽馬暴距離地球24億光年。從“慧眼”和“極目”的聯合觀測結果可以推測，該伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現得非常早，意味著產生伽馬射線的噴流非常狹窄，是人類探測到的最狹窄的伽馬暴噴流之一。
研究團隊認為，極為狹窄的噴流可能是該伽馬暴看上去極端明亮的原因之一。“本次‘慧眼’和‘極目’的觀測研究對于深入理解這種極端宇宙爆發現象提供了嶄新視角。”張雙南說。
精準探測的數據只是揭開了極端宇宙爆發真相的一角。
“伽馬暴為什么這么亮？為什么能夠產生狹窄的噴流？如有一部分伽馬暴可以產生引力波。那么什么樣的引力波事件可以產生伽馬暴？”熊少林認為，對于伽馬暴領域來說，有更多未解之謎。
“這一謎底的揭開需要一代又一代人的夢想接力。” 中科院院士、“慧眼”衛星提出者、預研和工程研制階段首席科學家李惕碚說。
1993年，李惕碚、吳枚等人提出“慧眼”衛星項目建議。自2017年6月15日發射升空以來，“慧眼”衛星已在軌穩定運行超過5年，在黑洞、中子星、快速射電暴等領域碩果累累。2022年7月27日，“極目”衛星搭載中國科學院微小衛星創新研究院牽頭研制的空間新技術試驗衛星發射入軌，“睜眼”看到了一大批伽馬暴、磁星爆發、快速射電暴的高能對應體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發現象。
“多年前我們使用的是國外的天文數據。外國人一個電話就能知道最新的天文數據，而我們要到第二天才能知道。”李惕碚說。
如今中國有了自己的天文數據。李惕碚認為：“說我們中國沒有第一手的數據，那個時代已經過去了。”
他并不滿足于此，“現在發現的還是現象，只有提出理論創新，才有可能推動科研突破。”
下一步，中國科學家們將對迄今最亮伽馬暴進行更加深入的研究，與國際科研機構聯合，利用兩個望遠鏡開展更多伽馬暴的探測數據，部署新的空間項目計劃。
中青報·中青網見習記者 楊潔
來源：中國青年報
