近日，中國科學(xué)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(chǎn)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(chǎn)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(guān)研究成果以封面論文形式于7月25日在《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》（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(zhì)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(chǎn)生。自上世紀(jì)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(lǐng)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(jì)錄的觀測亮度和各向同性能量，這些極端性質(zhì)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(xué)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(xué)院云南天文臺、河北師范大學(xué)、貴州師范大學(xué)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(zhǔn)和檢驗，并開展了大量的探測器本底研究和儀器效應(yīng)分析等工作，成功提取出精準(zhǔn)可靠的伽馬暴能譜。
經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)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(chǎn)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(zhì)和產(chǎn)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(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所的熊少林研究員牽頭并擔(dān)任通訊作者，中國科學(xué)院云南天文臺的毛基榮研究員和中國科學(xué)院高能物理研究所的張雙南研究員擔(dān)任共同通訊作者。中國科學(xué)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(zé)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(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學(xué)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(xué)院“空間科學(xué)”（二期）戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項支持的我國首個機遇型空間科學(xué)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(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(yīng)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(shù)，并開創(chuàng)性地使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報文服務(wù)實現(xiàn)星地準(zhǔn)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(xué)成果產(chǎn)出。
圖1：本項研究成果以封面論文形式發(fā)表在《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》（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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