我国科学家发现宇宙最高能量伽马谱线

  光明网讯 近日，中国科学院高能物理研究所牵头的科研团队，通过分析极目空间望远镜和费米卫星的联合观测数据，在伽马暴中发现能量高达37兆电子伏的伽马射线谱线，且谱线的能量和光度均以幂律形式演化，这是迄今观测到的宇宙天体产生的能量最高、证据最确凿的谱线。这些发现为破解伽马暴及相对论性喷流产生之谜提供了全新的重要线索，是伽马暴观测研究的里程碑。相关研究成果以封面论文形式7月25日在《中国科学：物理学力学天文学》（英文版）期刊正式发表。

  伽马暴是宇宙大爆炸之后最剧烈的爆炸现象，普遍认为由大质量恒星的核心坍缩或两颗极端致密天体（中子星、黑洞等）并合而产生。自上世纪六十年代首次发现，伽马暴的观测研究一直处于前沿领域，特别是近年来随着引力波的发现，伽马暴已成为多波段多信使时域天文研究的焦点。近年来我国发射了一系列空间望远镜开展伽马暴观测研究，包括慧眼卫星、“怀柔一号”极目系列卫星、爱因斯坦探针卫星以及中法天文卫星等等。2022年10月9日，全球众多天文望远镜观测到一例迄今最亮的伽马暴（编号GRB221009A），其中，我国的慧眼卫星和极目空间望远镜对该伽马暴的瞬时辐射进行了精确测量，发现该伽马暴具有打破纪录的观测亮度和各向同性能量，这些极端性质使其成为名副其实的千年一遇的历史性天文事件。

  在本项研究中，中国科学院高能物理研究所“怀柔一号”极目卫星团队联合中国科学院云南天文台、河北师范大学、贵州师范大学等单位的科研人员，利用自主研制的极目空间望远镜（GECAM-C）和国际上的费米卫星伽马射线监测器（Fermi/GBM）的观测数据，对迄今最亮伽马暴开展了详细的能谱分析和谱线搜索工作，特别是利用极目空间望远镜的精确测量数据对费米卫星的数据进行校准和检验，并开展了大量的探测器本底研究和仪器效应分析等工作，成功提取出精准可靠的伽马暴能谱。

  经过严谨分析，研究团队发现该伽马暴的能谱中存在一条演化规律的发射线谱线，谱线的能量和光度均随时间以幂律演化，为谱线的真实性以及谱线起源于该伽马暴提供了最坚实的证据。此外，研究团队还发现谱线的相对展宽较窄（仅10%左右）且基本不随时间变化。令人更意外的是，在伽马暴主暴阶段谱线能量高达37兆电子伏，这是迄今探测到的宇宙天体产生的最高能量的谱线。这些发现对于研究伽马暴及相对论性喷流的物理性质和产生机制具有重要而独特价值，是伽马暴和极端宇宙观测研究的重大突破。

  研究论文由“怀柔一号”极目卫星首席科学家、中国科学院高能物理研究所的熊少林研究员牵头并担任通讯作者，中国科学院云南天文台的毛基荣研究员和中国科学院高能物理研究所的张双南研究员担任共同通讯作者。中国科学院高能物理研究所的博士研究生张艳秋是论文的第一作者，主要负责能谱和谱线分析工作。本项研究获得了国家重点研发计划项目、中国科学院空间科学战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目支持。

  “怀柔一号”极目卫星（英文简称GECAM）是中国科学院“空间科学”（二期）战略性先导科技专项支持的我国首个机遇型空间科学项目，于2020年12月10日发射运行。参与本次发现的极目空间望远镜（编号GECAM-C）是极目系列卫星的第三个载荷，于2022年7月27日搭载中国科学院微小卫星创新研究院牵头研制的空间新技术试验卫星发射入轨。极目系列卫星已发现一大批伽马暴、磁星爆发、快速射电暴的高能对应体、太阳耀斑以及地球伽马闪等高能爆发现象。极目系列卫星采用了一系列创新的探测技术，并开创性地使用北斗卫星导航系统的短报文服务实现星地准实时通讯，革新了空间望远镜的使用方式，极大地提升了科学成果产出。（宋雅娟）

  图1：本项研究成果以封面论文形式发表在《中国科学：物理学 力学天文学》（英文版）。图片展现了极目空间望远镜和费米卫星观测迄今最亮伽马暴，并联合发现随时间演化的伽马射线谱线的情况

  图2：研究团队发现伽马暴的谱线能量随时间以幂律演化（引自本项研究的论文）

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