近日，中國科學院高能物理研究所牽頭的科研團隊，通過分析極目空間望遠鏡和費米衛(wèi)星的聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，在伽馬暴中發(fā)現(xiàn)能量高達37兆電子伏的伽馬射線譜線，且譜線的能量和光度均以冪律形式演化，這是迄今觀測到的宇宙天體產生的能量最高、證據(jù)最確鑿的譜線。這些發(fā)現(xiàn)為破解伽馬暴及相對論性噴流產生之謎提供了全新的重要線索，是伽馬暴觀測研究的里程碑。相關研究成果以封面論文形式于7月25日在《中國科學：物理學 力學 天文學》（英文版）期刊正式發(fā)表。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現(xiàn)象，普遍認為由大質量恒星的核心坍縮或兩顆極端致密天體（中子星、黑洞等）并合而產生。自上世紀六十年代首次發(fā)現(xiàn)，伽馬暴的觀測研究一直處于前沿領域，特別是近年來隨著引力波的發(fā)現(xiàn)，伽馬暴已成為多波段多信使時域天文研究的焦點。近年來我國發(fā)射了一系列空間望遠鏡開展伽馬暴觀測研究，包括慧眼衛(wèi)星、“懷柔一號”極目系列衛(wèi)星、愛因斯坦探針衛(wèi)星以及中法天文衛(wèi)星等等。2022年10月9日，全球眾多天文望遠鏡觀測到一例迄今最亮的伽馬暴（編號GRB 221009A），其中，我國的慧眼衛(wèi)星和極目空間望遠鏡對該伽馬暴的瞬時輻射進行了精確測量，發(fā)現(xiàn)該伽馬暴具有打破紀錄的觀測亮度和各向同性能量，這些極端性質使其成為名副其實的千年一遇的歷史性天文事件。
在本項研究中，中國科學院高能物理研究所“懷柔一號”極目衛(wèi)星團隊聯(lián)合中國科學院云南天文臺、河北師范大學、貴州師范大學等單位的科研人員，利用自主研制的極目空間望遠鏡（GECAM-C）和國際上的費米衛(wèi)星伽馬射線監(jiān)測器（Fermi/GBM）的觀測數(shù)據(jù)，對迄今最亮伽馬暴開展了詳細的能譜分析和譜線搜索工作，特別是利用極目空間望遠鏡的精確測量數(shù)據(jù)對費米衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行校準和檢驗，并開展了大量的探測器本底研究和儀器效應分析等工作，成功提取出精準可靠的伽馬暴能譜。
經(jīng)過嚴謹分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)該伽馬暴的能譜中存在一條演化規(guī)律的發(fā)射線譜線，譜線的能量和光度均隨時間以冪律演化，為譜線的真實性以及譜線起源于該伽馬暴提供了最堅實的證據(jù)。此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)譜線的相對展寬較窄（僅10%左右）且基本不隨時間變化。令人更意外的是，在伽馬暴主暴階段譜線能量高達37兆電子伏，這是迄今探測到的宇宙天體產生的最高能量的譜線。這些發(fā)現(xiàn)對于研究伽馬暴及相對論性噴流的物理性質和產生機制具有重要而獨特價值，是伽馬暴和極端宇宙觀測研究的重大突破。
研究論文由“懷柔一號”極目衛(wèi)星首席科學家、中國科學院高能物理研究所的熊少林研究員牽頭并擔任通訊作者，中國科學院云南天文臺的毛基榮研究員和中國科學院高能物理研究所的張雙南研究員擔任共同通訊作者。中國科學院高能物理研究所的博士研究生張艷秋是論文的第一作者，主要負責能譜和譜線分析工作。本項研究獲得了國家重點研發(fā)計劃項目、中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金等項目支持。
“懷柔一號”極目衛(wèi)星（英文簡稱GECAM）是中國科學院“空間科學”（二期）戰(zhàn)略性先導科技專項支持的我國首個機遇型空間科學項目，于2020年12月10日發(fā)射運行。參與本次發(fā)現(xiàn)的極目空間望遠鏡（編號GECAM-C）是極目系列衛(wèi)星的第三個載荷，于2022年7月27日搭載中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院牽頭研制的空間新技術試驗衛(wèi)星發(fā)射入軌。極目系列衛(wèi)星已發(fā)現(xiàn)一大批伽馬暴、磁星爆發(fā)、快速射電暴的高能對應體、太陽耀斑以及地球伽馬閃等高能爆發(fā)現(xiàn)象。極目系列衛(wèi)星采用了一系列創(chuàng)新的探測技術，并開創(chuàng)性地使用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的短報文服務實現(xiàn)星地準實時通訊，革新了空間望遠鏡的使用方式，極大地提升了科學成果產出。
圖1：本項研究成果以封面論文形式發(fā)表在《中國科學：物理學 力學 天文學》（英文版）。圖片展現(xiàn)了極目空間望遠鏡和費米衛(wèi)星觀測迄今最亮伽馬暴，并聯(lián)合發(fā)現(xiàn)隨時間演化的伽馬射線譜線的情況。
圖2：研究團隊發(fā)現(xiàn)伽馬暴的譜線能量隨時間以冪律演化（引自本項研究的論文）。
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