中青報(bào)·中青網(wǎng)見習(xí)記者楊潔
那是一個(gè)頓時(shí)照耀宇宙的時(shí)刻。
一場極端的天體爆發(fā)，形成了極為窄小、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)噴流剛好對準(zhǔn)月球時(shí)，相距24億光年的人類才有機(jī)會(huì)偵測到這種幅射，見到了千年一遇、迄今最亮的“宇宙煙火”。
“全球好多天文科學(xué)家為此沸騰了。”中國科大學(xué)高能化學(xué)研究所粒子天體化學(xué)中心院長、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南說。
這剎那間被“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡捕獲。它們成功地在硬X射線和軟伽瑪能段，對該伽瑪暴的瞬時(shí)幅射和初期余輝進(jìn)行了國際最高精度的檢測，發(fā)覺其具有迄今觀測到的最大照度，將伽瑪射線暴（以下簡稱伽瑪暴）的色溫紀(jì)錄提高了50倍。
3月29日下午2點(diǎn)，中國科大學(xué)高能化學(xué)研究所與全球40余家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布對迄今最亮伽瑪暴（編號(hào)GRB）的研究成果。這一發(fā)覺為千年一遇的天體爆發(fā)的研究作出了奇特貢獻(xiàn)。
“慧眼”衛(wèi)星和“極目”空間望遠(yuǎn)鏡觀測迄今最亮伽瑪暴示意圖。中科院高能化學(xué)所供圖
讓全球科學(xué)家沸騰的“光”
“我們不期望在有生之年才能再見到一次。”張雙南感慨。
伽瑪暴是宇宙大爆燃以后最劇烈的爆燃現(xiàn)象，包括兩種類型，一類形成于很大質(zhì)量星體的核心坍縮爆燃，持續(xù)時(shí)間一般長于2秒，這次發(fā)覺的伽瑪暴即屬于這種。另一類形成于兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）的合并爆燃，持續(xù)時(shí)間一般短于2秒，并同時(shí)發(fā)出引力波。
這兩類天體爆燃均能形成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)并以接近光速從兩極噴射物質(zhì)，產(chǎn)生一對相反方向的噴流。噴流內(nèi)部的激波或磁重聯(lián)等過程加速帶電粒子形成伽瑪射線幅射，稱之為瞬時(shí)幅射；噴流和周圍的星際介質(zhì)互相作用也能形成幅射，稱之為余輝。
“只有噴流剛好對準(zhǔn)月球時(shí)，人類才有機(jī)會(huì)偵測到這種幅射。”張雙南解釋，距離月球較近的大質(zhì)量星體核心坍縮爆燃，且能形成巨大能量、狹窄噴流的現(xiàn)象十分稀少，“今后千年的時(shí)間里，科學(xué)家們都不太可能觀測到這個(gè)現(xiàn)象，這也意味著后續(xù)數(shù)十代的科學(xué)家都只能依賴這次觀測數(shù)據(jù)展開研究?！?span style="display:none">8D7物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
1967年，自人類發(fā)覺首個(gè)伽瑪暴以來，已偵測到近萬例伽瑪暴。2022年10月9日，包括中國科大學(xué)高能化學(xué)研究所牽頭建造的空間和地面觀測設(shè)備在內(nèi)的全球諸多天文設(shè)施粒子天體物理，均觀測到這個(gè)迄今最亮的伽瑪暴，其形成于距離月球24億光年的宇宙深處。
“上一次，高色溫伽瑪暴發(fā)生的時(shí)侯，其實(shí)是在一萬年前，我們還是山頂洞人，其實(shí)是在千年之前，那時(shí)我們的科學(xué)技術(shù)還沒有發(fā)展上去。現(xiàn)今人類技術(shù)步入了觀測時(shí)代，中國就有兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡可以精準(zhǔn)偵測。”美國科羅拉多學(xué)院拉斯維加斯學(xué)校院長張冰提及，在所有天體活動(dòng)中，越是極端的現(xiàn)象，出現(xiàn)的數(shù)量就越少。假如錯(cuò)過了此次機(jī)會(huì)，人類可能還要再等到上千年或則上萬年。
“伽馬暴的出現(xiàn)是隨機(jī)的，當(dāng)它出現(xiàn)的時(shí)侯會(huì)照耀整個(gè)宇宙。”張冰提及，該伽瑪暴具有極端的照度和相對較近的距離，可以稱之為千年一遇的歷史性風(fēng)波。
中國科大學(xué)高能化學(xué)研究所粒子天體化學(xué)中心副所長、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：“這次有三個(gè)地方很特殊，它離我們很近，輻射出來的單位立體角能量十分高，張角也很小，這三個(gè)誘因結(jié)合上去，大約是千年間能夠見到這樣伽瑪暴?！?span style="display:none">8D7物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
迄今最亮伽瑪暴GRB想像圖。中科院高能化學(xué)所供圖
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(yuǎn)鏡的精確觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)覺該伽瑪暴具有迄今偵測到的最高色溫，并將伽瑪暴色溫紀(jì)錄提高了50倍。
從能量角度去理解，因?yàn)橘が敱┚嚯x月球非常遙遠(yuǎn)，對它發(fā)出的所有伽瑪射線來說，人類可以偵測到的只是滄海一粟粒子天體物理，一般難以知曉伽瑪暴向人類視線之外的方向幅射了多少能量。
研究團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)假定，假如伽瑪暴向各個(gè)方向幅射了幾乎相同數(shù)目的伽瑪射線，這么按照偵測到的伽瑪射線和伽瑪暴的距離，可估算該伽瑪暴向各個(gè)方向發(fā)出的所有伽瑪射線的總能量，即各向同性能量。
“這個(gè)伽瑪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。
我國專門為偵測伽瑪暴和引力波電磁對應(yīng)體而建造的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡，聯(lián)合我國首臺(tái)空間X射線天文望遠(yuǎn)鏡“慧眼”衛(wèi)星，在硬X射線和軟伽瑪射線能段精確描畫了該伽瑪暴從征兆幅射到主暴、耀發(fā)以及初期余輝的各個(gè)關(guān)鍵階段的幅射性質(zhì)。
中科院高能所粒子天體化學(xué)中心研究員、“極目”空間望遠(yuǎn)鏡荷載總師李新喬打了一個(gè)形象的比喻，假如肉眼去直視太陽，人類很難承受耀眼的亮光。并且假如戴上了太陽鏡，才能清楚地觀測太陽。
因?yàn)樵撡が敱┥珳貥O高，國際上絕大多數(shù)偵測設(shè)備發(fā)生了嚴(yán)重的數(shù)據(jù)飽和遺失等問題，未能獲得精確檢測結(jié)果。
“我們把伽瑪暴最難檢測的部份，也就是伽瑪暴最亮的部份進(jìn)行了精確檢測。這在國際上是獨(dú)一無二的?！毙苌倭终f。
2022年發(fā)射的“極目”空間望遠(yuǎn)鏡是此次重大發(fā)覺的“大功臣”。熊少林解釋，這顆衛(wèi)星的軌道會(huì)穿過一些噪音比較高的區(qū)域，通常的做法是在經(jīng)過那些區(qū)域時(shí)關(guān)閉偵測器。假如12個(gè)偵測器全部開機(jī)，這么設(shè)備會(huì)形成巨大的數(shù)據(jù)量。國際上大部份偵測器因而發(fā)生了數(shù)據(jù)飽和、丟失等問題。
“我們沒那么做，讓它保留一個(gè)偵測器開機(jī)?！毙苌倭纸榻B，這次觀測，“極目”空間望遠(yuǎn)鏡處在一種特殊的工作模式中，借助保留的偵測器獲得了精準(zhǔn)偵測的重要產(chǎn)出。讓他感覺辛運(yùn)的是，假如沒有這種設(shè)計(jì)，這么人類就沒有一個(gè)設(shè)備才能完成這次精準(zhǔn)檢測，將會(huì)與千年一遇的伽瑪暴擦肩而過。
慶幸，沒有被“亮瞎”的“雙目”展開了精美的工作?！皹O目”空間望遠(yuǎn)鏡剛好處于才能記錄極高伽瑪射線流強(qiáng)的特殊觀測模式，防止了因極端色溫而容易形成的數(shù)據(jù)飽和遺失、信號(hào)堆積、死時(shí)間過大等各類儀器效應(yīng)，成功對該伽瑪暴極端明亮的主暴進(jìn)行了完整而精確的偵測。而“慧眼”衛(wèi)星配備的高能X射線望遠(yuǎn)鏡，憑著其在兆電子伏能區(qū)最大的有效面積，成功偵測到該伽瑪暴，并獲得了其征兆幅射和初期余輝的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
熊少林說，這次還采取了天地聯(lián)合觀測，配合天上運(yùn)行的兩顆衛(wèi)星，地面有高海拔宇宙線觀測站展開了詳盡觀測，具體數(shù)據(jù)后續(xù)將重磅公布。
法國一位科學(xué)家菲利波·弗龍?zhí)├f：“在對此次風(fēng)波的諸多觀測里，破紀(jì)錄的伽瑪暴的結(jié)果，是特別具有挑戰(zhàn)性和奇特性的。那些極高質(zhì)量的數(shù)據(jù)始于‘慧眼’衛(wèi)星和‘極目’空間望遠(yuǎn)鏡的巧妙設(shè)計(jì)。并且只有在一個(gè)特別有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)，就能完滿完成這種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)?！?span style="display:none">8D7物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
人類正揭露極端宇宙爆發(fā)真相的一角
一個(gè)色溫提高了50倍的伽瑪暴能透漏什么宇宙信息？
“亮源會(huì)有兩種可能性，第一個(gè)是離月球十分近，第二個(gè)是源本身能力和廣度十分大?！睆埍忉?，好比人類去看一個(gè)蠟燭和一座燈塔，常常會(huì)認(rèn)為蠟燭更亮，那是由于蠟燭離人的距離更近。
通過觀測發(fā)覺，伽瑪暴距離月球24億光年。從“慧眼”和“極目”的聯(lián)合觀測結(jié)果可以推斷，該伽瑪暴的余輝由慢衰減到快衰減的拐折出現(xiàn)得十分早，意味著形成伽瑪射線的噴流十分窄小，是人類偵測到的最窄小的伽瑪暴噴流之一。
研究團(tuán)隊(duì)覺得，極為窄小的噴流可能是該伽瑪暴看起來極端明亮的誘因之一?！氨敬巍垩邸汀畼O目’的觀測研究對于深入理解這些極端宇宙爆發(fā)現(xiàn)象提供了嶄新視角?！睆堧p南說。
精準(zhǔn)偵測的數(shù)據(jù)只是揭露了極端宇宙爆發(fā)真相的一角。
“伽馬暴為何如此亮？為何還能形成窄小的噴流？如有一部份伽瑪暴可以形成引力波。這么哪些樣的引力波風(fēng)波可以形成伽瑪暴？”熊少林覺得，對于伽瑪暴領(lǐng)域來說，有更多未解之謎。
“這一謎底的揭露須要一代又一代人的夢想接力?！敝锌圃航淌冢盎垩邸毙l(wèi)星提出者、預(yù)研和工程研發(fā)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、快榴彈電暴等領(lǐng)域碩果累累。2022年7月27日，“極目”衛(wèi)星搭載中國科大學(xué)微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研發(fā)的空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射入軌，“睜眼”看到了一大批伽瑪暴、磁星爆發(fā)、快榴彈電暴的高能對應(yīng)體、太陽日冕以及月球伽瑪閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。
“多年前我們使用的是美國的天文數(shù)據(jù)。外國人一個(gè)電話能夠曉得最新的天文數(shù)據(jù)，而我們要到第二天才能曉得?！崩钐桧照f。
現(xiàn)在中國有了自己的天文數(shù)據(jù)。李惕碚說：“說我們中國沒有第一手的數(shù)據(jù)，哪個(gè)時(shí)代早已過去了?！?span style="display:none">8D7物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
他并不滿足于此，“現(xiàn)在發(fā)覺的還是現(xiàn)象，只有提出理論創(chuàng)新，才有可能促進(jìn)科研突破?！?span style="display:none">8D7物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
下一步，中國科學(xué)家們將對最大伽瑪線暴進(jìn)行愈發(fā)深入研究，與國際科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合，借助兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡舉辦更多伽瑪線暴的偵測數(shù)據(jù)，布署新的空間項(xiàng)目計(jì)劃。