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圖片為中科院高能所提供

距離銀河系24億光年外的一個(gè)盤(pán)狀星系里，發(fā)生了一場(chǎng)驚天動(dòng)地的大爆炸。爆炸噴射出的物質(zhì)形成了極其狹窄、接近光速運(yùn)動(dòng)的噴流。這使它釋放的能量如同一束激光，沿著一個(gè)特定的方向照射出來(lái)，而我們的地球恰好在這個(gè)方向上。世界時(shí)2022年10月9日下午1點(diǎn)17分，這束閃光以伽馬射線暴發(fā)（伽馬暴）的形式造訪了地球，便立刻被眾多衛(wèi)星和地面上的伽馬射線天文臺(tái)捕捉到。按照慣例，它被根據(jù)發(fā)現(xiàn)的日期和類型命名：伽馬暴（GRB）2210009A（簡(jiǎn)稱伽馬暴09A）。但很快，一個(gè)更響亮的名字傳遍了天文圈：史上最亮伽馬暴。它的亮度之強(qiáng)前所未有，以至于大部分觀測(cè)到它的空間高能望遠(yuǎn)鏡發(fā)生了過(guò)曝，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行可靠的測(cè)量。而中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“高能所”）研制的“慧眼”和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，成功地給出了對(duì)于這次伽馬暴準(zhǔn)確的測(cè)量。它的發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確測(cè)量將刷新天文學(xué)家對(duì)伽馬暴起源和暴發(fā)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)人們更好地理解基本物理規(guī)律和宇宙演化的歷史。

遍布宇宙的猛烈爆炸

伽馬暴的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)頗具傳奇色彩的故事。1963年美蘇英三國(guó)簽訂了《部分禁止核試驗(yàn)條約》，禁止進(jìn)行包括大氣、水下和太空的核武器試驗(yàn)。為了監(jiān)視他國(guó)，美國(guó)20世紀(jì)60年代后期陸續(xù)發(fā)射了Vela系列衛(wèi)星，搭載了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的伽馬射線探測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)核爆炸產(chǎn)生的伽馬射線閃光。1967年7月2日，Vela系列2號(hào)和3號(hào)衛(wèi)星探測(cè)到了不同于任何已知核武器爆炸的伽馬射線閃光；很快又發(fā)現(xiàn)了一共16次類似的伽馬射線閃光事件。然而，根據(jù)它們粗略的定位信息，研究團(tuán)隊(duì)排除了這些閃光起源于人造物體或者太陽(yáng)活動(dòng)的可能性。

這些發(fā)現(xiàn)在1973年以《對(duì)宇宙起源的伽馬射線暴發(fā)的觀測(cè)》為題，發(fā)表在學(xué)術(shù)刊物《天體物理期刊》上。從那時(shí)起，人類才廣泛知曉了宇宙中存在著這樣劇烈的神秘爆炸事件。1991年起，美國(guó)的康普頓伽馬射線空間天文臺(tái)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了2700余例伽馬暴。它們幾乎均勻地分布在天空的各個(gè)方向，而不是集中分布在銀河這條窄帶上。因此天文學(xué)家們馬上達(dá)成了共識(shí)：伽馬暴起源于銀河系外的宇宙深處，或者用天文學(xué)家的術(shù)語(yǔ)“伽馬暴具有宇宙學(xué)起源”。在知曉伽馬暴起源于極遙遠(yuǎn)的距離后，根據(jù)它們觀測(cè)到的亮度，科學(xué)家們就可以得出結(jié)論：這些伽馬暴釋放的能量驚人的巨大，甚至比整個(gè)銀河系一年通過(guò)輻射釋放的能量還要大。所以伽馬暴又被稱為“自宇宙大爆炸以來(lái)全宇宙最猛烈的爆炸現(xiàn)象”。

自伽馬暴被發(fā)現(xiàn)起，科學(xué)家們就在猜測(cè)究竟是什么在宇宙各處引發(fā)這樣猛烈的爆炸。很快，五花八門(mén)的理論猜想就充斥著各種學(xué)術(shù)期刊。那時(shí)的天文學(xué)界有一句笑話：“伽馬暴的理論模型比伽馬暴還多?！?/p>

隨著伽馬暴的觀測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越精細(xì)和完善，大多數(shù)的猜想沒(méi)能經(jīng)得起觀測(cè)的考驗(yàn)，大浪淘沙之下，有兩個(gè)猜想逐漸成為大家廣泛接受的伽馬暴理論：塌縮星和中子星合并。現(xiàn)在的天文學(xué)家們認(rèn)為這兩種宇宙中的災(zāi)變事件對(duì)應(yīng)于迄今為止觀測(cè)到的兩種類型的伽馬暴——長(zhǎng)伽馬暴和短伽馬暴。

塌縮星模型提出：當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星演化到壽命末期時(shí)，其內(nèi)核的核聚變?nèi)剂媳缓谋M。恒星自身巨大的引力失去了與之長(zhǎng)期平衡的熱壓力支撐，其內(nèi)核便迅速向內(nèi)坍塌成為一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的黑洞。當(dāng)恒星外層的物質(zhì)前赴后繼地墜向這顆新誕生的黑洞時(shí)，在磁場(chǎng)和廣義相對(duì)論效應(yīng)的共同作用下，兩束等離子體將沿著黑洞自轉(zhuǎn)軸的方向以接近光速的速度被噴射出來(lái)，從而將坍塌恒星的引力勢(shì)能釋放。在接近光速的噴流中，噴射物質(zhì)相互碰撞或與周圍的星際介質(zhì)碰撞，將它們的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁輻射，從而形成了我們?cè)诘厍蛴^測(cè)到的長(zhǎng)伽馬暴的瞬時(shí)輻射和余輝。

而在中子星并合的模型中，一顆中子星會(huì)與另一顆致密天體組成雙星系統(tǒng)。當(dāng)雙星系統(tǒng)的軌道能量因?yàn)橐Σㄝ椛洳粩嗨p時(shí)，中子星就會(huì)與它的致密天體伴星越靠越近，直到撞在一起。這個(gè)合并的過(guò)程會(huì)將中子星撕扯成兩部分，一部分與致密天體伴星一起形成一顆高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，另一部分則隨后落向這顆黑洞，然后像塌縮星模型中一樣，兩束高速的等離子體噴流被噴射出來(lái)，從而形成了我們觀測(cè)到的短伽馬暴。與塌縮星模型不同，中子星并合過(guò)程中會(huì)有引力波的釋放，因此短伽馬暴也被認(rèn)為是可以與引力波被聯(lián)合觀測(cè)的多信使源。2017年的引力波事件GW170817就是這樣一個(gè)事例，它被發(fā)現(xiàn)與短伽馬暴GRB 170817A同時(shí)在同一個(gè)位置發(fā)生，成為了中子星并合模型最強(qiáng)有力的證據(jù)。

中國(guó)完整準(zhǔn)確測(cè)量最強(qiáng)伽馬暴

在伽馬暴天文學(xué)研究的最初幾十年里，中國(guó)探測(cè)器的名字是缺席的。直到2001年，搭載伽馬暴探測(cè)器的神舟二號(hào)飛船成功升空，才改變了這種局面。2017年，“慧眼”衛(wèi)星的發(fā)射讓我們?cè)谫ゑR射線爆發(fā)天體的觀測(cè)研究大展身手?！盎垩邸毙l(wèi)星是高能所牽頭研制的中國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星，上面搭載的高能X射線望遠(yuǎn)鏡是搜尋和測(cè)量伽馬暴的利器。在發(fā)射四年后，慧眼科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了第一批322個(gè)被慧眼衛(wèi)星觀測(cè)到的伽馬暴。2020年和2022年，我國(guó)又陸續(xù)發(fā)射了三顆高能所牽頭研制的專門(mén)用于伽馬暴探測(cè)的衛(wèi)星——“極目”A、B、C星。至此，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”三星，連同國(guó)際上那些前輩伽馬暴探測(cè)衛(wèi)星，如費(fèi)米、雨燕、INTEGRAL、Konus等一起，組成一張捕捉和測(cè)量伽馬暴的天網(wǎng)。

就在這張大網(wǎng)剛剛織好不久，史上最強(qiáng)的伽馬暴09A就造訪了地球。

伽馬暴09A屬于長(zhǎng)伽馬暴，因此人們猜測(cè)它起源于大質(zhì)量恒星的塌縮。它發(fā)生的星系距離地球24億光年。這聽(tīng)起來(lái)非常遙遠(yuǎn)，但與其他伽馬暴相比，這個(gè)距離仍然算非常近的。此外，這個(gè)伽馬暴的噴流張角非常小，因此與其他伽馬暴相比，更能集中地將能量輻射到地球這個(gè)方向。這兩個(gè)獨(dú)特之處使得伽馬暴09A成為觀測(cè)史上看起來(lái)最亮的伽馬暴：它的亮度比典型的亮伽馬暴高數(shù)千倍。

這樣意想不到的亮度也為國(guó)際主流伽馬暴探測(cè)器帶來(lái)了不小麻煩，使它們經(jīng)歷了類似于照相機(jī)過(guò)曝光的問(wèn)題。這些發(fā)生問(wèn)題的探測(cè)器無(wú)法給出完整可靠的探測(cè)數(shù)據(jù)，因此也無(wú)法準(zhǔn)確地回答伽馬暴09A究竟有多亮。

在伽馬暴09A最亮的階段，“慧眼”衛(wèi)星和“極目”C星恰好處在能觀測(cè)到它的軌道位置和工作狀態(tài)。特別巧合的是，當(dāng)時(shí)“極目”C星正飛行在地球的高緯度區(qū)域上空。由于那片區(qū)域有很強(qiáng)的帶電粒子干擾，科研人員為“極目”C星設(shè)計(jì)了一種特殊的工作模式——低靈敏度的工作模式。這就好像一個(gè)人在即將走到非常明亮的戶外時(shí)，提前戴上墨鏡一樣。

正是由于這種特殊的工作模式，再加上“極目”專門(mén)探測(cè)亮源的設(shè)計(jì)，使得“極目”C星和“慧眼”聯(lián)合給出了對(duì)于伽馬暴09A最完整和準(zhǔn)確的測(cè)量。

更多宇宙謎團(tuán)有待破解

根據(jù)對(duì)之前觀測(cè)到的伽馬暴的統(tǒng)計(jì)，天文學(xué)家們得出結(jié)論，像09A這樣亮度的伽馬暴每過(guò)幾千年甚至一萬(wàn)年才會(huì)被探測(cè)到一次。而人類僅僅具備伽馬暴觀測(cè)能力半個(gè)世紀(jì)后就發(fā)現(xiàn)了這樣一起伽馬暴，這本身就令人感到十分驚訝。一些天文學(xué)家猜測(cè)，09A可能有與其他伽馬暴有不同的未知暴發(fā)機(jī)制。

但我們的分析顯示，是其極小的噴流張角導(dǎo)致了觀測(cè)到的能量差異。在“慧眼”團(tuán)隊(duì)和“極目”團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文中，我們通過(guò)測(cè)量伽馬暴09A的余輝隨時(shí)間的變化曲線推測(cè)出了伽馬暴噴流的張角不到1度。正因?yàn)檫@樣，伽馬暴09A的能量被高度集中在一個(gè)方向上，使得觀測(cè)者看到的亮度比非定向輻射的情況提高了約一萬(wàn)倍。這也解釋了為什么09A具有如此與眾不同的各向同性能量，在考慮噴流張角修正后，伽馬暴09A真實(shí)釋放的能量與一般的長(zhǎng)伽馬暴類似。

但是這并沒(méi)有完全解答“為什么伽馬暴09A看起來(lái)如此特殊”的謎題，反而引出了一系列新的謎題——

是什么物理機(jī)制能讓伽馬暴爆炸的能量以如此準(zhǔn)直的方式定向地釋放出來(lái)？在伽馬暴短暫的觀測(cè)史上，地球恰好被臨近宇宙中一個(gè)如此準(zhǔn)直的定向輻射能量對(duì)準(zhǔn)的概率有多大？此外，以伽馬暴09A的亮度，即使它位于比現(xiàn)在距離更加遙遠(yuǎn)得多的距離上也能夠被人類的探測(cè)器探測(cè)到。那么問(wèn)題來(lái)了：為什么是09A這樣一個(gè)“僅僅”與地球相隔24億光年的臨近伽馬暴被首先探測(cè)到，而不是在更遙遠(yuǎn)的地方其他類似的伽馬暴被首先探測(cè)到？要知道，更遙遠(yuǎn)的宇宙有更廣闊的空間，其中正在發(fā)生塌縮的大質(zhì)量恒星的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨近宇宙，理應(yīng)有更多機(jī)會(huì)探測(cè)到類似于09A這樣的伽馬暴。

科學(xué)家們不懼怕謎題，相反我們喜愛(ài)謎題。因?yàn)槊恳粋€(gè)謎題都連接著一個(gè)潛在的新發(fā)現(xiàn)。伽馬暴的輻射來(lái)自接近光速的噴流中的復(fù)雜輻射轉(zhuǎn)移過(guò)程，而噴流中的等離子體是在旋轉(zhuǎn)黑洞附近被加速，并通過(guò)復(fù)雜的磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)被準(zhǔn)直的。因此每一個(gè)伽馬暴的能譜和光變曲線中，都蘊(yùn)藏了粒子物理、激波物理、相對(duì)論、黑洞物理和磁流體力學(xué)的密碼。同時(shí)，由于我們現(xiàn)在普遍相信長(zhǎng)伽馬暴的前身是正在死亡的大質(zhì)量恒星，而短伽馬暴的前身是中子星/致密星雙星，所以前者可以被當(dāng)成大質(zhì)量恒星在宇宙中產(chǎn)生歷史和分布的信標(biāo)，而后者則是中子星/致密星并合歷史的信標(biāo)?？茖W(xué)家們目前認(rèn)為，宇宙中原子序數(shù)大于鋅的重元素就是誕生于這兩種宇宙災(zāi)變事件中。因此伽馬暴的發(fā)生率和紅移分布中，也蘊(yùn)藏著組成我們世界的元素起源之謎的答案。

伽馬暴誕生于宇宙中最極端的環(huán)境，那里有最極端的彎曲時(shí)空、最致密的物質(zhì)、最強(qiáng)的電磁場(chǎng)、最高的溫度和最快的運(yùn)動(dòng)速度……伽馬射線光子攜帶著宇宙中最深刻規(guī)律的密碼。50多年前，它讓人類將視線轉(zhuǎn)向浩渺永恒的太空；50多年后，中國(guó)的“慧眼”和“極目”，精準(zhǔn)地刻畫(huà)下了這“最亮一筆”，讓伽馬暴這顆在世界天文史上曾經(jīng)耀眼的明星，在多信使天文學(xué)時(shí)代重新閃亮。如今，中國(guó)高能天文望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)高能天體物理現(xiàn)象中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，中國(guó)天文學(xué)家也將為人類了解宇宙作出更多貢獻(xiàn)。

（作者：易疏序，系中科院高能所特聘青年研究員）

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