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    我國天地聯合觀測到迄今最亮伽馬射線暴 打破多項記錄
    文章來源:粒子天體中心  2022-10-16
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      2022年10月9日21點17分(北京時間),高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,拉索)、高能爆發探索者(HEBS)和慧眼衛星(Insight-HXMT)同時探測到迄今最亮的伽馬射線暴(編號GRB 221009A)。得益于高能所近些年在天地一體化觀測能力建設的高速發展,尤其是LHAASO的成功建造和運行,占據了國際領先地位,使我國首次實現對伽馬射線暴的天地多手段聯合觀測,并獨家實現了從最高的十幾太電子伏光子(LHAASO)到兆電子伏伽馬射線(HEBS)和千電子伏X-射線(慧眼)的多譜段精細測量,跨越9個量級。在本次觀測中,LHAASO將伽馬射線暴光子最高能量記錄提升了近20倍,在國際上首次打開了10 TeV波段的伽馬射線暴觀測窗口,與慧眼衛星和HEBS觀測一起,發現這個事件比以往人類觀測到的最亮伽馬射線暴亮了10倍以上。這些觀測結果打破了多項伽馬射線暴觀測的記錄,對于揭示伽馬射線暴的爆發機制具有重要價值。

      伽馬射線暴是宇宙中最劇烈的天體爆發現象,首次發現于1960年代。伽馬射線暴短至幾毫秒,長達數小時,釋放的能量超過太陽在其一生輻射能量的總和。持續時間較長的伽馬射線暴產生于比太陽大幾十倍的恒星星體坍縮爆炸,而持續時間較短的伽馬射線暴則產生于兩個致密天體(比如黑洞或中子星)合并爆炸,后者還可能伴隨發射引力波。這次高強度的爆發發生在距離地球兩千多兆光年處,這么近距離的伽馬射線爆發估計幾十年甚至百年才出現一次。

      在過去半個多世紀探測到的數千個伽馬射線暴中,最高能量光子達到大約1萬億電子伏(TeV)。本次LHAASO以無與倫比的接收度探測到大量的高能光子,最高光子能量達到18 TeV。LHAASO的探測結果已經引發了國際上巨大的反響,大量的相關研究迅速展開,涌現出關于新物理可能性的許多討論。同時,這些測量對宇宙中存在的背景光場等基本物理參數和模型將做出強烈的限制,預計產生重要的認知水平的提升。

      LHAASO在百GeV以上的甚高能區記錄到幾萬個光子信號,將給出伽馬射線暴最高能段的光變曲線最精細的測量。憑借先進的探測器設計,HEBS成功對該伽馬射線暴的軟伽馬射線光變特征進行了高精度觀測,完美展現了初期爆發和后隨閃耀的演化過程?;垩坌l星的高能、中能和低能X射線望遠鏡首次在伽馬射線暴觀測中同時探測到信號,而且因為慧眼衛星當時正在掃描觀測這個天區,從而對該伽馬射線暴的余輝進行了及時監測。這些能量相差上十億倍的測量結果,對于建立正確的伽馬射線暴爆發機制模型極為重要。

      該伽馬射線暴發生后,LHAASO實驗高能所團隊在首席科學家曹臻研究員帶領下迅速展開數據分析,在爆發后不到兩天內就通過伽馬射線暴協同觀測網(Gamma-ray Coordinates Network,GCN)向國際同行發布了初步觀測結果。進一步的數據分析和科學研究正由LHAASO合作組成員全力開展。高能所慧眼衛星和HEBS觀測運行團隊、載荷團隊和數據分析團隊在慧眼衛星首席科學家張雙南研究員和HEBS項目首席科學家熊少林研究員的帶領下,迅速投入觀測分析,并及時啟動了機遇觀測。在團隊的密切協作下,慧眼衛星和HEBS已經得到初步分析結果,并已通過天文電報(Astronomer’s Telegram)和GCN向國際同行發布。

      LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施,由我國自主提出并設計建造。觀測站位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,占地面積約1.36平方公里。LHAASO主體工程于2021年7月完成建設并投入科學運行,是世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線天文臺,LHAASO的運行開啟了 “超高能伽馬天文學”觀測時代。捕捉和高統計量觀測伽馬射線暴是LHAASO的重要科學目標之一。此次亮度空前的爆發正好發生在LHAASO視場的中心附近,為完成此項科學目標奠定了強大的觀測基礎?;垩坌l星是我國第一顆空間X射線天文衛星,于2017年6月15日發射運行,在軌觀測5年多來已在黑洞、中子星、快速射電暴等方面取得一大批重要原創成果。高能爆發探索者(HEBS)于2022年7月27日發射,是我國近期發射的空間新技術試驗衛星的主要科學載荷之一,采用“懷柔一號”衛星所開創的新型探測技術以及基于北斗短報文的準實時星地通訊方案,能夠迅速下傳觀測數據。HEBS目前處于在軌測試階段,預期將獲得更多重要成果。

     

    圖1: GRB 221009A爆發時刻在LHAASO視場中的位置。

     

    圖2:慧眼衛星觀測迄今最亮的伽馬射線暴(GRB 221009A)。在伽馬射線暴發生前后,慧眼衛星恰好在對該天區進行掃描觀測,綠色點線代表望遠鏡指向的掃描軌跡。

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