那是一個(gè)瞬間照亮宇宙的時(shí)刻。

【資料圖】

一場(chǎng)極端的天體爆發(fā)，產(chǎn)生了極為狹窄、極端明亮、接近光速運(yùn)動(dòng)的噴流，各向同性能量相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個(gè)太陽質(zhì)量的全部能量。當(dāng)噴流恰好對(duì)準(zhǔn)地球時(shí)，相距24億光年的人類才有機(jī)會(huì)探測(cè)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(xué)家因此沸騰了。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說。

這一瞬間被“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡捕獲。它們成功地在硬X射線和軟伽馬能段，對(duì)該伽馬射線暴（以下簡(jiǎn)稱“伽馬暴”）的瞬時(shí)輻射和早期余輝進(jìn)行了國(guó)際最高精度的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其具有迄今觀測(cè)到的最大亮度，將伽馬暴的亮度紀(jì)錄提升了50倍。

3月29日凌晨2點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布對(duì)迄今最亮伽馬暴（編號(hào)GRB221009A）的研究成果。這一發(fā)現(xiàn)為千年一遇的天體爆發(fā)的研究作出了獨(dú)特貢獻(xiàn)。

讓全球科學(xué)家沸騰的“光”

“我們不期望在有生之年能夠再看到一次?！睆堧p南感嘆。

伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，包括兩種類型，一類產(chǎn)生于很大質(zhì)量恒星的核心坍縮爆炸，持續(xù)時(shí)間通常長(zhǎng)于2秒，此次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴即屬于此類。另一類產(chǎn)生于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆炸，持續(xù)時(shí)間通常短于2秒，并同時(shí)發(fā)出引力波。

這兩類天體爆炸均能產(chǎn)生一顆黑洞或中子星等極端致密天體，其通過極強(qiáng)引力吞噬周圍物質(zhì)并以接近光速?gòu)膬蓸O噴射物質(zhì)，形成一對(duì)相反方向的噴流。噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過程加速帶電粒子產(chǎn)生伽馬射線輻射，稱之為瞬時(shí)輻射；噴流和周圍的星際介質(zhì)相互作用也能產(chǎn)生輻射，稱之為余輝。

“只有噴流恰好對(duì)準(zhǔn)地球時(shí)，人類才有機(jī)會(huì)探測(cè)到這些輻射。”張雙南解釋，距離地球較近的大質(zhì)量恒星核心坍縮爆炸，且能產(chǎn)生巨大能量、狹窄噴流的現(xiàn)象非常少見，“今后千年的時(shí)間里，科學(xué)家們都不太可能觀測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象，這也意味著后續(xù)數(shù)十代的科學(xué)家都只能依賴此次觀測(cè)數(shù)據(jù)展開研究?！?/p>

1967年，自人類發(fā)現(xiàn)首個(gè)伽馬暴以來，已探測(cè)到近萬例伽馬暴。2022年10月9日，包括中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭建造的空間和地面觀測(cè)設(shè)備在內(nèi)的全球眾多天文設(shè)施，均觀測(cè)到這個(gè)迄今最亮的伽馬暴，其產(chǎn)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(fā)生的時(shí)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(shí)我們的科學(xué)技術(shù)還沒有發(fā)展起來。如今人類技術(shù)進(jìn)入了觀測(cè)時(shí)代，中國(guó)就有兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以精準(zhǔn)探測(cè)?！泵绹?guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)拉斯維加斯分校教授張冰提到，在所有天體活動(dòng)中，越是極端的現(xiàn)象，出現(xiàn)的數(shù)目就越少。如果錯(cuò)過了這次機(jī)會(huì)，人類可能還要再等到上千年或者上萬年。

“伽馬暴的出現(xiàn)是隨機(jī)的，當(dāng)它出現(xiàn)的時(shí)候會(huì)照亮整個(gè)宇宙?！睆埍岬剑撡ゑR暴具有極端的亮度和相對(duì)較近的距離，可以稱之為千年一遇的歷史性事件。

中國(guó)科學(xué)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(yuǎn)鏡首席科學(xué)家熊少林進(jìn)一步解釋：“這次有3個(gè)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(gè)因素結(jié)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(chǎng)“宇宙煙火”有多亮？

基于“極目”空間望遠(yuǎn)鏡的精確觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該伽馬暴具有迄今探測(cè)到的最高亮度，并將伽馬暴亮度紀(jì)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(yuǎn)，對(duì)它發(fā)出的所有伽馬射線來說，人類可以探測(cè)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(tuán)隊(duì)作了一個(gè)假設(shè)，如果伽馬暴向各個(gè)方向輻射了幾乎相同數(shù)量的伽馬射線，那么根據(jù)探測(cè)到的伽馬射線和伽馬暴的距離，可計(jì)算該伽馬暴向各個(gè)方向發(fā)出的所有伽馬射線的總能量，即各向同性能量。

“這個(gè)伽馬暴的各向同性能量打破了紀(jì)錄，超過10的55次方爾格，相當(dāng)于在1分鐘內(nèi)釋放8個(gè)太陽質(zhì)量的全部能量?！毙苌倭终f。

我國(guó)專門為探測(cè)伽馬暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體而建造的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)合我國(guó)首臺(tái)空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)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(fā)以及早期余輝的各個(gè)關(guān)鍵階段的輻射性質(zhì)。

中科院高能所粒子天體物理中心研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡載荷總師李新喬打了一個(gè)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(cè)太陽。

由于該伽馬暴亮度極高，國(guó)際上絕大多數(shù)探測(cè)設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的數(shù)據(jù)飽和丟失等問題，無法獲得精確測(cè)量結(jié)果。

“我們把伽馬暴最難測(cè)量的部分，也就是伽馬暴最亮的部分進(jìn)行了精確測(cè)量。這在國(guó)際上是獨(dú)一無二的。”熊少林說。

2022年發(fā)射的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡是這次重大發(fā)現(xiàn)的“大功臣”。熊少林解釋，這顆衛(wèi)星的軌道會(huì)穿過一些噪聲比較高的區(qū)域，一般的做法是在經(jīng)過這些區(qū)域時(shí)關(guān)掉探測(cè)器。如果12個(gè)探測(cè)器全部開機(jī)，那么設(shè)備會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。國(guó)際上大部分探測(cè)器因此發(fā)生了數(shù)據(jù)飽和、丟失等問題。

“我們沒這么做，讓它保留一個(gè)探測(cè)器開機(jī)?！毙苌倭纸榻B，此次觀測(cè)，“極目”空間望遠(yuǎn)鏡處在一種特殊的工作模式中，依靠保留的探測(cè)器獲得了精準(zhǔn)探測(cè)的重要產(chǎn)出。讓他覺得幸運(yùn)的是，如果沒有此類設(shè)計(jì)，那么人類就沒有一個(gè)設(shè)備能夠完成此次精準(zhǔn)測(cè)量，將會(huì)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?！皹O目”空間望遠(yuǎn)鏡正好處于能夠記錄極高伽馬射線流強(qiáng)的特殊觀測(cè)模式，避免了因極端亮度而容易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)飽和丟失、信號(hào)堆積、死時(shí)間過大等各種儀器效應(yīng)，成功對(duì)該伽馬暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的探測(cè)。而“慧眼”衛(wèi)星配備的高能X射線望遠(yuǎn)鏡，憑借其在兆電子伏能區(qū)最大的有效面積，成功探測(cè)到該伽馬暴，并獲得了其前兆輻射和早期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

熊少林說，此次還采取了天地聯(lián)合觀測(cè)，配合天上運(yùn)行的兩顆衛(wèi)星，地面有高海拔宇宙線觀測(cè)站展開了詳細(xì)觀測(cè)，具體數(shù)據(jù)后續(xù)將重磅公布。

歐洲一位科學(xué)家菲利波·弗龍?zhí)├f：“在對(duì)這次事件的眾多觀測(cè)里，破紀(jì)錄的GRB221009伽馬暴的結(jié)果，是非常具有挑戰(zhàn)性和獨(dú)特性的。這些極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源于‘慧眼’衛(wèi)星和‘極目’空間望遠(yuǎn)鏡的巧妙設(shè)計(jì)。而且只有一個(gè)非常有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，才能圓滿完成這些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)?！?/p>

人類正揭開極端宇宙爆發(fā)真相的一角

一個(gè)亮度提升了50倍的伽馬暴能透露哪些宇宙信息？

“亮源會(huì)有兩種可能性，第一個(gè)是離地球非常近，第二個(gè)是源本身能力和廣度非常大?！睆埍忉專帽热祟惾タ匆粋€(gè)蠟燭和一座燈塔，往往會(huì)覺得蠟燭更亮，那是因?yàn)橄灎T離人的距離更近。

通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，伽馬暴距離地球24億光年。從“慧眼”和“極目”的聯(lián)合觀測(cè)結(jié)果可以推測(cè)，該伽馬暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現(xiàn)得非常早，意味著產(chǎn)生伽馬射線的噴流非常狹窄，是人類探測(cè)到的最狹窄的伽馬暴噴流之一。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)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(cè)研究對(duì)于深入理解這種極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角?！睆堧p南說。

精準(zhǔn)探測(cè)的數(shù)據(jù)只是揭開了極端宇宙爆發(fā)真相的一角。

“伽馬暴為什么這么亮？為什么能夠產(chǎn)生狹窄的噴流？如有一部分伽馬暴可以產(chǎn)生引力波。那么什么樣的引力波事件可以產(chǎn)生伽馬暴？”熊少林認(rèn)為，對(duì)于伽馬暴領(lǐng)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(mèng)想接力。”中科院院士、“慧眼”衛(wèi)星提出者、預(yù)研和工程研制階段首席科學(xué)家李惕碚說。

1993年，李惕碚、吳枚等人提出“慧眼”衛(wèi)星項(xiàng)目建議。自2017年6月15日發(fā)射升空以來，“慧眼”衛(wèi)星已在軌穩(wěn)定運(yùn)行超過5年，在黑洞、中子星、快速射電暴等領(lǐng)域碩果累累。2022年7月27日，“極目”衛(wèi)星搭載中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研制的空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射入軌，“睜眼”看到了一大批伽馬暴、磁星爆發(fā)、快速射電暴的高能對(duì)應(yīng)體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。

“多年前我們使用的是國(guó)外的天文數(shù)據(jù)。外國(guó)人一個(gè)電話就能知道最新的天文數(shù)據(jù)，而我們要到第二天才能知道?！崩钐桧照f。

如今中國(guó)有了自己的天文數(shù)據(jù)。李惕碚認(rèn)為：“說我們中國(guó)沒有第一手的數(shù)據(jù)，那個(gè)時(shí)代已經(jīng)過去了?！?/p>

他并不滿足于此，“現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的還是現(xiàn)象，只有提出理論創(chuàng)新，才有可能推動(dòng)科研突破?！?/p>

下一步，中國(guó)科學(xué)家們將對(duì)迄今最亮伽馬暴進(jìn)行更加深入的研究，與國(guó)際科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，利用兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡開展更多伽馬暴的探測(cè)數(shù)據(jù)，部署新的空間項(xiàng)目計(jì)劃。

中青報(bào)·中青網(wǎng)見習(xí)記者 楊潔 來源：中國(guó)青年報(bào)