伽馬暴是宇宙中最劇烈的爆炸事件，普遍認為有兩種產(chǎn)生機制：一顆很大質(zhì)量的恒星在壽命末期發(fā)生坍縮爆炸，或者兩顆黑洞或者中子星等致密星發(fā)生并合爆炸。無論哪種爆炸過程，都在中心形成一顆黑洞或者快速轉(zhuǎn)動的中子星等極端天體，其驅(qū)動一對方向相反、接近光速運動的噴流(稱為相對論性噴流)，在噴流內(nèi)部以及噴流與周圍介質(zhì)相互作用產(chǎn)生瞬時輻射和余輝輻射。然而，伽馬暴噴流的速度、物質(zhì)組分和幾何結(jié)構(gòu)等基本物理性質(zhì)，以及能量耗散機制和輻射區(qū)位置等重要問題長期沒有定論。
GRB 221009A 是迄今觀測到的最亮的伽馬暴，慧眼衛(wèi)星(Insight-HXMT)和GECAM-C在keV至MeV能段精確測量了其瞬時輻射和早期余輝，高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)在TeV能區(qū)對余輝輻射開展了高統(tǒng)計量的精確測量。此外，極目衛(wèi)星團隊利用GECAM-C和Fermi/GBM聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一系列冪律演化的伽馬射線譜線，而且譜線能量高達37 MeV，刷新了迄今探測到的宇宙天體產(chǎn)生的伽馬譜線最高紀錄。這些重要觀測為深入揭示伽馬暴及噴流物理性質(zhì)提供了前所未有的機遇。
圖1：慧眼衛(wèi)星(Insight-HXMT)和極目空間望遠鏡(GECAM-C)觀測迄今最亮伽馬暴示意圖
在本次系列成果的第一項工作中，研究團隊分析了GRB 221009A寬能段輻射的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)GECAM-C測量的keV-MeV能段瞬時輻射與LHAASO測量的TeV能段余輝輻射存在緊密關(guān)聯(lián)，瞬時輻射累積光變曲線可以極好地擬合余輝輻射上升段光變曲線，且TeV余輝輻射相對瞬時輻射存在約4.5秒時間延遲，這是伽馬暴噴流向外激波區(qū)域連續(xù)注入能量的直接證據(jù)。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊建立了理論模型，利用余輝相對瞬時輻射時間延遲測量了噴流速度。此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)余輝輻射中存在瞬時輻射光子在外激波區(qū)域產(chǎn)生逆康普頓散射成分，破解了余輝輻射在初始階段快速上升之謎。該項成果的研究論文于9月6日正式發(fā)表，中國科學(xué)院高能物理研究所博士研究生張艷秋是論文第一作者，中國科學(xué)院高能物理研究所熊少林研究員、北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所林浩翔博士和黎卓教授、中國科學(xué)院高能物理研究所葛明玉研究員是論文共同通訊作者。
圖2: 研究團隊發(fā)現(xiàn)GECAM-C測量的瞬時輻射(橙色)與LHAASO測量的余輝輻射(藍色)存在緊密關(guān)聯(lián)[1]
在第二項工作中，研究團隊聚焦GRB 221009A 伽馬射線譜線這一重大發(fā)現(xiàn)，揭示了譜線產(chǎn)生機制和噴流物理性質(zhì)。在前期工作中，GECAM團隊發(fā)現(xiàn)伽馬譜線的中心能量隨時間以冪律演化，且冪律指數(shù)恰好為-1，且譜線的相對展寬保持在10%左右。在本項工作中，合作團隊發(fā)現(xiàn)噴流的高緯度曲率效應(yīng)可以很好地解釋譜線中心能量的冪律演化，而且系統(tǒng)性研究了噴流中正負電子對的產(chǎn)生、冷卻和湮滅等過程，從而直接測量或限制噴流的重要參數(shù)，包括輻射區(qū)距離伽馬暴中心天體約 10^16 厘米。由此，論述了伽馬譜線可以自然解釋為高緯度曲率效應(yīng)下的正負電子湮滅線。同時結(jié)合瞬時輻射和余輝等特征，基本排除了原子譜線或核素線等可能。此外，較小的譜線展寬要求電子對迅速冷卻，結(jié)合第一項工作對噴流速度的測量，表明噴流的磁場能量密度遠高于伽馬射線能量密度，即噴流由磁能主導(dǎo)。該項成果的研究論文于9月16日正式發(fā)表，中國科學(xué)院高能物理研究所張鎮(zhèn)博士是論文第一作者和共同通訊作者，北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所黎卓教授和林浩翔博士、中國科學(xué)院高能物理研究所熊少林研究員是論文共同通訊作者。
圖3: 研究團隊建立理論模型解釋伽馬譜線觀測結(jié)果，對噴流速度(洛倫茲因子Γ)和輻射區(qū)尺度(半徑r)進行嚴格限制[2]
上述研究工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目支持。
