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3月29日凌晨2點，中國、美國、歐洲、日本等國家和地區的科學家同時發布了一則重磅新聞，報告了對一次“千年一遇”“史上最亮”的伽馬射線暴（GRB 221009A）的研究成果。

撰文/特約記者 李鵬 圖文編輯/陳永杰

新媒體編輯/呂冰心

采訪專家：

張雙南（中國科學院高能物理研究所研究員）

伽馬射線暴是如何產生？為什么它在短短的幾分鐘內，甚至幾秒鐘內釋放出來非常巨大的能量，比太陽在100億年的壽命里面釋放的能量總和還要多？現在全球的科學家們正在針對這些問題苦苦尋找答案。

來自24億光年之外宇宙深處的一次超級閃爆，2022年10月傳播到了地球上空，這次中國的科學家們和國際科學界的同行們一道抓住了它，中國的空間望遠鏡聯合觀測立下了汗馬功勞。

北京時間3月29日凌晨2點，中國科學院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）與全球40余家科研機構聯合發布了對迄今最亮伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）GRB 221009A的研究成果，我國自主研發的“慧眼”衛星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠鏡(GECAM-C)多項探測均打破了記錄。

▲迄今發現的最亮伽馬射線暴（GRB 221009A）想象圖。（供圖/中國科學院高能物理研究所）

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中國對這個千年一遇天體做出獨特貢獻

2022年10月9日21點17分（北京時間），我國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）、“慧眼”衛星（Insight-HXMT）和“極目”空間望遠鏡（GECAM-C）同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴（編號GRB 221009A），這是我國首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測。

GRB 221009A創記錄的爆發，幾乎吸引了全球主流天文觀測和研究機構的目標，而后相關數據處理和研究也進入緊張的開展之中。中科院高能所牽頭研制的“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡(GECAM-C)憑借獨特的設計，和特殊的工作模式，成功地在硬X射線和軟伽馬能段對該伽馬射線暴的瞬時輻射和早期余輝進行了國際最高精度的測量。

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的亮度，并將伽馬暴亮度紀錄提升了50倍。由于這個伽馬射線暴距離地球十分遙遠，對于它發出的所有伽馬射線來說，人類探測到的只是滄海一粟。通常我們無法知曉伽馬射線暴向我們視線之外的方向輻射了多少能量，假設伽馬暴向各個方向輻射了幾乎相同數量的伽馬射線，那么根據我們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。研究團隊發現這個伽馬暴的各向同性能量也打破紀錄，相當于在1分鐘內釋放8個太陽質量的全部能量，還揭示其產生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運動的噴流，對這個千年一遇的天體爆發的研究做出了獨特貢獻。

據悉，本項工作由中科院粒子天體物理重點實驗室牽頭的國際合作團隊完成，成員來自中國、美國、意大利、法國、德國等30余家研究機構，相關成果論文已在預印本平臺上在線發布。中科院高能所粒子天體物理中心副主任、“極目”空間望遠鏡首席科學家熊少林研究員，中科院高能所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛星首席科學家張雙南研究員，美國內華達大學拉斯維加斯分校張冰教授為論文共同通訊作者，國際合作團隊另有175人為論文署名作者。

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什么是伽馬射線暴？這次為何很特殊？

伽馬射線暴（Gamma Ray Burst，縮寫GRB），又稱伽馬暴，是來自天空中某一方向的伽馬射線強度在短時間內突然增強，隨后又迅速減弱的現象，是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現象，被稱為宇宙中最強大的事件。

伽馬射線暴通常由爆炸的恒星產生，這些恒星在它們生命周期的最后階段會發生劇烈的爆炸。這種爆炸會釋放大量的能量，包括伽馬射線、X射線和可見光。伽馬射線暴的一種類型稱為長暴，它們持續時間長通常長于2秒，有的達到幾十秒至數分鐘，甚至是更長的時間。此次發現的伽馬暴即屬于此類。還有一類短暴則持續時間在2秒以內持續時間。長暴一般認為產生于很大質量恒星的核心坍縮爆炸，由超新星爆炸形成，而短暴產生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，同時會發出引力波。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。其中，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，稱為瞬時輻射；噴流和周圍的星際介質相互作用產生的輻射，稱為余輝。

自從1967年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，包括中科院高能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GRB 221009A這個迄今最亮的伽馬射線暴，并發現其產生于銀河系之外、距離地球24億光年的宇宙深處。該伽馬暴具有極端的亮度和相對較近的距離，并且被人類得以成功捕捉，使其成為名副其實的千年一遇的歷史性事件。

中國科學院高能物理研究所研究員張雙南解釋說，雖然宇宙中伽馬射線暴有很多，也肯定還存在亮度更高的伽馬暴，但其噴流正好指向地球且被探測到的機會卻是非常難得，只有噴流恰好對準地球時，人類才有機會探測到這些輻射。因此，本次研究精確探測到迄今最亮伽馬暴是千年甚至萬年都難碰到的。

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中國利器聯合協同成功捕捉

在本次歷史性的觀測中，來自中國的科研利器發揮了一些獨特的作用。中科院高能物理研究所牽頭建造的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）、與“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡開展的天地聯合觀測至關重要。

“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡專門為探測伽馬暴和引力波電磁對應體而建造，在GRB 221009A的觀測中，這兩個觀測利器有效聯合，在硬X射線和軟伽馬射線能段，非常精確地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。

其中，“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各種儀器效應（包括數據飽和丟失、信號堆積、死時間過大等），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，成功探測到該伽馬射線暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質量數據。

▲“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡觀測迄今最亮伽馬暴示意圖 （供圖/中國科學院高能物理研究所）

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“慧眼”和“極目”為何這么牛？

據了解，“慧眼”衛星和“極目”空間望遠鏡均由高能所提出和牽頭研制。“慧眼”和“極目”在探測GRB 221009A伽馬射線暴上能夠立下汗馬功勞，與這兩個項目的一些獨特本領有很大的關系。

“慧眼”衛星是我國首臺空間X射線天文望遠鏡，由中國科學院院士李惕碚，以及吳枚等人于1993年提出項目建議，2011年獲得工程立項。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，已在黑洞、中子星、快速射電暴等領域取得一系列重要成果。2017年“慧眼”衛星已經初露鋒芒，當年8月17日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次捕捉到來自雙中子星并合產生的引力波信號。該事件發生時，全球僅有4臺X射線和伽馬射線望遠鏡成功監測到爆發天區，“慧眼”便是其中之一。本來“慧眼”的設計壽命只有4年，但因為狀態良好，就被延長了運行時間。沒有想到延期運行2年以后，“慧眼”再次顯神威。

我國的“極目”空間望遠鏡是中國科學院“空間科學”（二期）戰略性先導科技專項支持的機遇型空間科學項目，由中科院高能所于2016年提出項目建議，2018年獲得工程立項。2020年“極目”空間望遠鏡項目才首次發射升空，除了直接觀測引力波、伽馬暴等高能天體爆發現象，該空間望遠鏡的另一大任務是為各種類型的高能天體爆發“站崗放哨”。一旦“極目”發現爆發天體，便立即將相關信息下傳至地面，引導地面和其他空間天文觀測設備迅速開展后續觀測。

參與本次發現的是“極目”系列的第三個載荷（編號GECAM-C），其于2022年7月27日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（SATech-01）發射入軌。“極目”系列衛星采用了一系列創新的探測技術，并開創性地使用北斗導航系統短報文服務實現星地準實時通訊，已發現一大批伽馬暴、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。

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期待更大的伽馬射線暴研究成果

“慧眼”和“極目”對GRB 221009A伽馬射線暴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，這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。因此，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。

意大利費拉拉大學菲利波弗龍泰拉教授表示，在對這次事件的眾多觀測里，破紀錄的GRB221009伽馬射線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”和“極目”的巧妙設計，在探測任務中它們所獲得的數據的獨特組合也提供了切實的證據，證明伽馬射線暴引擎可以發射非常狹窄而準直的噴流，為研究這些新生致密星的產生和活動提供了嶄新的線索。

中科院院士、清華大學教授、中科院高能物理所研究員李惕碚表示，這次歷史上最強的伽馬射線暴依舊充滿了很多未知，在本次伽馬射線暴的觀測中，中國天地協同的科學裝置觀測獲得很多獨特的、有價值的高質量數據，但是接下來中國的科學家們需要充分利用這些數據進行研究，同時將觀測成果上升到理論研究上來，希望能夠在伽馬射線暴的理論研究中取得重大成果和新突破。

出品：科普中央廚房

監制：北京科技報 | 北科傳媒