极目卫星团队在最亮伽马暴研究中取得系列重要进展
极目卫星团队在最亮伽马暴研究中取得系列重要进展
中国科学院高能物理研究所“怀柔一号”极目卫星（GECAM）团队与北京大学黎卓教授团队合作，对史上最亮伽马暴（GRB 221009A）进行了深入研究，取得了重要进展。研究团队不仅揭示了伽马暴喷流的物理机制，还首次测量了喷流速度和张角等关键参数，为理解这种宇宙中最剧烈的爆炸事件提供了新的视角。
伽马暴是宇宙中最剧烈的爆炸事件，通常由大质量恒星坍缩或致密天体并合引发。在这些极端条件下，会形成黑洞或快速转动的中子星，并驱动一对接近光速的相对论性喷流。这些喷流在与周围介质相互作用时，会产生瞬时辐射和余辉辐射。
图1：慧眼卫星（Insight-HXMT）和极目空间望远镜（GECAM-C）观测迄今最亮伽马暴示意图
GRB 221009A是迄今为止观测到的最亮伽马暴。中国科学院的慧眼卫星、极目卫星和高海拔宇宙线观测站（LHAASO）对其进行了多波段观测，获得了从keV到TeV能段的详细数据。特别是极目卫星团队发现了一系列能量高达37 MeV的伽马射线谱线，刷新了宇宙天体产生伽马谱线的最高纪录。
揭示喷流能量注入机制
在第一项研究中，团队分析了GRB 221009A的宽能段辐射特征。他们发现，极目卫星在keV-MeV能段观测到的瞬时辐射与LHAASO在TeV能段观测到的余辉辐射存在紧密关联。具体来说，瞬时辐射的累积光变曲线可以很好地拟合余辉辐射的上升段光变曲线，且余辉辐射相对于瞬时辐射有约4.5秒的时间延迟。这一发现表明，喷流在向外传播过程中持续注入能量。
基于这一发现，研究团队建立了理论模型，成功测量了喷流的速度。此外，他们还发现余辉辐射中存在瞬时辐射光子在外激波区域产生逆康普顿散射的成分，解释了余辉辐射初始阶段快速上升的现象。
图2：研究团队发现GECAM-C测量的瞬时辐射（橙色）与LHAASO测量的余辉辐射（蓝色）存在紧密关联
揭秘伽马谱线产生机制
在第二项研究中，团队聚焦于GRB 221009A中发现的伽马射线谱线。前期研究表明，这些谱线的中心能量随时间以幂律演化，且幂律指数为-1，相对展宽保持在10%左右。研究团队进一步发现，喷流的高纬度曲率效应可以很好地解释谱线中心能量的演化规律。
通过系统研究喷流中正负电子对的产生、冷却和湮灭过程，团队直接测量或限制了喷流的关键参数，如辐射区距离伽马暴中心天体约10^16厘米。他们提出，伽马谱线可以自然解释为高纬度曲率效应下的正负电子湮灭线。结合瞬时辐射和余辉特征，研究排除了原子谱线或核素线的可能性。
此外，较小的谱线展宽要求电子对迅速冷却，结合喷流速度的测量结果，表明喷流的磁场能量密度远高于伽马射线能量密度，即喷流由磁能主导。
图3：研究团队建立理论模型解释伽马谱线观测结果，对喷流速度（洛伦兹因子Γ）和辐射区尺度（半径r）进行严格限制
这两项研究成果分别发表在《天体物理学杂志快报》上，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
参考文献：
- Yan-Qiu Zhang et al 2024 ApJL 972 L25
- Zhen Zhang et al 2024 ApJL 973 L17