2022年10月9日，一缕来自宇宙深处的光束——伽马射线暴（编号GRB 221009A）穿越19亿光年抵达地球。在全球众多天文设施中，中国的“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜成功对其瞬时辐射和早期余辉进行了国际最高精度的测量。它是人类迄今观测到的最亮伽马射线暴，且各向同性能量也打破纪录，令科学家惊叹为“千年一遇”。

文｜本刊记者 冯琳

将人类观测伽马射线暴亮度纪录提升50倍

北京时间2023年3月29日凌晨2点，中国科学院高能物理研究所（以下简称“中科院高能所”）与全球40余家科研机构联合发布对伽马射线暴（编号GRB 221009A）这一历史性天文事件的研究成果。本项工作由中国科学院粒子天体物理重点实验室牵头的国际合作团队完成，成员来自中国、美国、意大利、法国、德国等30余家研究机构。论文通讯作者为中科院高能所粒子天体物理中心副主任、“极目”空间望远镜首席科学家熊少林研究员，中科院高能所粒子天体物理中心主任、“慧眼”卫星首席科学家张双南研究员以及美国内华达大学拉斯维加斯分校张冰教授。

伽马射线暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象。熊少林告诉记者，伽马射线暴的产生机制有两种类型，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，伽马射线暴即属于此类；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。之所以称作“伽马射线暴”，熊少林解释说，是因为它在伽马射线波段辐射最强、能量最多。

事实上，伽马射线暴并不罕见。人类自从1967年发现首个伽马射线暴以来，已探测到近万例伽马射线暴，但是极端明亮的伽马射线暴是特殊且重要的。基于“极目”空间望远镜的精确观测数据，研究团队发现伽马射线暴（编号GRB 221009A）具有迄今探测到的最高亮度，并将伽马射线暴亮度纪录提升了50倍！

这次大幅打破纪录的伽马射线暴究竟有多亮？从能量角度去理解，由于伽马射线暴距离地球十分遥远，对于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，通常无法知晓伽马射线暴向人类视线之外的方向辐射了多少能量。研究团队做了一个假设，如果伽马射线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，就可计算出该伽马射线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。研究团队发现这次伽马射线暴的各向同性能量也打破纪录，超过了10的55次方尔格！

这是一个什么能量概念？张冰解释称，这相当于将8个太阳的全部质量都转化成能量，然后在1分钟内释放出来；这些能量如果让太阳用长达100亿年的一生来释放，则需要1万个太阳。“可想而知，这样的一个伽马射线暴是前所未有明亮的。”

这一伽马射线暴为何这么亮？“亮源会有两种可能性，第一是离地球非常近，第二是源本身能量和光度非常大。”张冰解释，好比我们去看一个蜡烛和一座灯塔，往往会觉得蜡烛更亮，那是因为蜡烛与人的距离更近。

伽马射线暴（编号GRB 221009A）因具有极端的亮度和相对较近的距离，使其成为名副其实的千年一遇的历史性事件。

“千年一遇，甚至可以说万年一遇。上次发生如此剧烈伽马射线暴的时候，如果是一千年前，那么我们当时正在宋朝，如果是一万年前，我们当时还是山顶洞人。”张冰说，“而这样一个伽马射线暴正好是发生在了这个时候，人类进入了能够观测伽马射线暴的时代，而且中国有两架空间望远镜可以同时观测它，光这一件事情就已经是非常难得了。如果错过了这次机会，人类可能还要再等上千年或者上万年。”

张双南也慨叹道，“我们不期望在有生之年能够再看到一次。”他解释称，因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，这也意味著后续数十代的科学家都只能依赖此次观测数据展开研究。”

天地联合观测为极端宇宙爆发现象提供崭新研究视角

试想一下，当耀日晴空，我们会因为光线太强而无法直视太阳。那么，要看见并观测迄今最亮的伽马射线暴究竟有多难？要如何做到呢？

2022年10月9日，当伽马射线暴（编号GRB 221009A）发出的光子抵达地球，全球众多天文设施都开展了观测。然而由于该伽马射线暴亮度极高，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，未能获得精确测量结果。在这分秒必争的黄金瞬间，中国的“慧眼”卫星、“极目”空间望远镜与高海拔宇宙线观测站（LHAASO）开展天地联合观测，其中，“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜在硬X射线和软伽马射线能段精确刻画了伽马射线暴（编号GRB 221009A）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，这是中国对本次研究作出的重要且独特的贡献。

“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜均由中科院高能所提出项目概念和牵头研制。其中，“极目”空间望远镜是专门为探测伽马射线暴和引力波电磁对应体而建造的。“怀柔一号”极目（GECAM）卫星是中国科学院“空间科学”（二期）战略性先导科技专项支持的机遇型空间科学项目，由中科院高能所于2016年提出项目建议，2018年获得工程立项。参与本次发现的是“极目”系列的第三个载荷（编号GECAM-C），其于2022年7月27日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（SATech-01）发射入轨。“极目”系列卫星采用了一系列创新的探测技术，并开创性地使用北斗导航系统短报文服务实现星地准实时通讯，已发现一大批伽马射线暴、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。

“慧眼”卫星是我国首台空间X射线天文望远镜，由李惕碚、吴枚等人于1993年提出项目建议，2011年获得工程立项。其研制得到了国家国防科技工业局民用航天科研经费和中国科学院“空间科学”（一期）战略性先导科技专项的共同支持，中科院高能所负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作，航天科技集团公司五院为卫星总体单位。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5年，已在黑洞、中子星、快速射电暴等领域取得一系列重要成果。

在本次观测中，“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，从而避免了因极端亮度而容易产生的包括数据饱和丢失、信号堆积、死时间过大等各种仪器效应，得以对伽马射线暴（编号GRB 221009A）极端明亮的主暴进行了完整而精确的探测。相比之下，国际上很多望远镜都没有设置这样的特殊观测模式。而“慧眼”卫星配备的高能X射线望远镜则凭藉其在兆电子伏能区最大的有效面积，成功探测到伽马射线暴（编号GRB 221009A），并获得了其前兆辐射和早期余辉的高质量数据。

有了“慧眼”和“极目”的完美配合，才令人类幸而没有与这千年一遇的“宇宙烟火”擦身而过。研究团队从“慧眼”和“极目”的联合观测结果推测，伽马射线暴（编号GRB 221009A）的余辉由慢衰减到快衰减的拐折出现得非常早，意味著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伽马射线暴看上去极端明亮的原因之一。因此，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。

中国已处于世界高能天体物理学研究前沿

中国团队对伽马射线暴（编号GRB 221009A）的成功观测，令全球天文学家惊喜赞叹！

意大利费拉拉大学菲利波·弗龙泰拉（Filippo Frontera）教授说：“在对这次事件的众多观测里，破纪录的伽马射线暴（编号GRB 221009A）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。而且只有在一个非常有经验的团队中，才能圆满完成这些优秀的设计。”

德国图宾根大学安德烈亚·圣安杰洛（Andrea Santangelo）教授点评指出，此次联合发布的伽马射线暴是一个非同寻常的事件，当它突然爆发时，整个天文界都非常兴奋，欧美许多天文设备都开始对其进行观测，当其他所有设备都被最亮伽马暴“炫花眼”时，只有中国的“慧眼”卫星和“极目”空间望远镜获得爆发全过程的光变曲线，从而得出这次极为美妙的结果——不仅测到伽马射线暴（编号GRB 221009A）总能量，而且还清楚测量到它非常窄的光束。他认为，这表明中国已处于世界高能天体物理学研究的前沿，未来中国在这一领域的引领力将与日俱增。

多年前，中国天文研究使用的是国外数据。“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。”中国科学院院士，“慧眼”卫星提出者、预研和工程研制阶段首席科学家李惕碚直言道。如今中国有了自己的天文数据，令李惕碚甚感欣慰：“说我们中国没有第一手的数据，那个时代已经过去了。”

当然，精准探测的数据只是揭开了极端宇宙爆发真相的一角。伽马射线暴为什么如此明亮？为什么能够产生狭窄的喷流？如有一部分伽马射线暴可以产生引力波，那么什么样的引力波事件可以产生伽马射线暴？对伽马射线暴研究来说，仍有许多未解之谜。

“这一谜底的揭开需要一代又一代人的梦想接力。”李惕碚指出，“ 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。”

从2001年发射的“神舟”二号起，中科院高能所牵头或参与伽马射线暴相关空间项目，至今已有20多年。中国科学院院士、中科院高能所所长王贻芳介绍说，该所一直是中国粒子天体物理研究的引领者，经过几十年发展，实验平台也从高山逐渐发展到气球、卫星和未来的空间站，研制出了“慧眼”“极目”等重大设施，在X射线天文领域逐渐走到世界前列。此外，中科院高能所天地一体化的多信使观测能力高速发展，已取得一系列重大观测成果，有望成为国际粒子天体物理研究的领先研究机构。

下一步，中国科学家们将与国际科研机构进一步开展合作，对最大伽马射线暴进行更加深入研究，利用两个望远镜开展更多伽马射线暴的探测数据，破解伽马射线暴产生机制难题，研究引力波和快速射电暴与伽马射线暴的关系等。同时，中科院高能所也将继续支持“慧眼”“极目”等项目科研工作，特别在天体一体化联合观测方面给与更多关注，并继续加强“慧眼”“极目”等空间项目在科学研究方面的国内外合作，争取产出更多重大原创性科学成果。

未来五到十年，我国还将部署新的空间项目计划，发射爱因斯坦探针卫星、空间变源监视器、中国空间站高能宇宙辐射探测设施、增强型时变与偏振天文台等空间设备，通过更多手段、从更多角度，探索宇宙深处的奥秘。

（文中图片由中国科学院高能物理研究所提供，本文发布于《紫荆》杂志2023年5月号）