最亮的伽马射线暴揭示了宇宙爆炸的新秘密

诸平

This illustration shows the ingredients of a long gamma-ray burst, the most common type. The core of a massive star (left) has collapsed, forming a black hole that sends a jet of particles moving through the collapsing star and out into space at nearly the speed of light. Radiation across the spectrum arises from hot ionized gas (plasma) in the vicinity of the newborn black hole, collisions among shells of fast-moving gas within the jet (internal shock waves), and from the leading edge of the jet as it sweeps up and interacts with its surroundings (external shock). Credit: NASA's Goddard Space Flight Center 

据美国哈佛-史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)2023年3月28日提供的消息，发现最亮的伽马射线爆发揭示了宇宙爆炸的新秘密（Brightest gamma-ray burst ever observed reveals new mysteries of cosmic explosions）。上述图片显示了最常见的长伽马射线暴的成分。一颗大质量恒星的核心（图左侧）坍塌，形成了一个黑洞，黑洞将粒子流以接近光速的速度穿过坍塌的恒星，冲向太空。光谱上的辐射来自于新生黑洞附近的热离子化气体即等离子体{ hot ionized gas (plasma)}、射流（内部冲击波）{ the jet (internal shock waves)}内快速移动的气体壳层之间的碰撞，以及射流向上扫掠并与周围环境（外部冲击波）{ surroundings (external shock)}相互作用时的前沿。

2022年10月9日，一股强烈的伽马射线辐射脉冲横扫太阳系，无数轨道卫星上的伽马射线探测器势不可挡，天文学家们不得不用世界上最强大的望远镜对这一事件进行研究。这个新发现的伽马射线源，是有史以来最亮的伽马射线暴（brightest gamma-ray burst简称GRB），因此根据其发现日期命名为GRB 221009A。相关研究结果于2023年3月28日已经在《天体物理学杂志通讯》（Astrophysical Journal Letters）网站发表——Maia A. Williams, Jamie A. Kennea, S. Dichiara, Kohei Kobayashi, Wataru B. Iwakiri, Andrew P. Beardmore, P. A. Evans, Sebastian Heinz, Amy Lien, S. R. Oates, Hitoshi Negoro, S. Bradley Cenko, Douglas J. K. Buisson, Dieter H. Hartmann, Gaurava K. Jaisawal, N. P. M. Kuin, Stephen Lesage, Kim L. Page, Tyler Parsotan, Dheeraj R. Pasham, B. Sbarufatti, Michael H. Siegel, Satoshi Sugita, George Younes, Elena Ambrosi, Zaven Arzoumanian, M. G. Bernardini, S. Campana, Milvia Capalbi, Regina Caputo, Antonino D'Aì, P. D'Avanzo, V. D'Elia, Massimiliano De Pasquale, R. A. J. Eyles-Ferris, Elizabeth Ferrara, Keith C. Gendreau, Jeffrey D. Gropp, Nobuyuki Kawai, Noel Klingler, Sibasish Laha, A. Melandri, Tatehiro Mihara, Michael Moss, Paul O'Brien, Julian P. Osborne, David M. Palmer, Matteo Perri, Motoko Serino, E. Sonbas, Michael Stamatikos, Rhaana Starling, G. Tagliaferri, Aaron Tohuvavohu, Silvia Zane, Houri Ziaeepour. GRB 221009A: Discovery of an Exceptionally Rare Nearby and Energetic Gamma-Ray Burst. The Astrophysical Journal Letters, Published 2023 March 28. Volume 946, Number 1. DOI: 10.3847/2041-8213/acbcd1. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acbcd1

参与此项研究的有来自美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University, University Park, PA, USA）、美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, USA）、美国佛罗里达州坦帕大学（University of Tampa, FL, USA）、美国宇航局戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, USA）、美国马里兰大学（University of Maryland, College Park, MD, USA）、美国克莱姆森大学（Clemson University, Clemson, SC, USA）、美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校（University of Alabama in Huntsville, Huntsville, AL, USA）、美国马里兰大学巴尔的摩县空间科学技术中心（Center for Space Science and Technology, University of Maryland Baltimore County, Baltimore, MD, USA）、美国宇航局/戈达德太空飞行中心（NASA/ Goddard Space Flight Center简称GSFC, Greenbelt, MD, USA）、美国麻省理工学院卡弗里天体物理与空间研究所（MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, USA）、美国乔治·华盛顿大学(The George Washington University, Washington, USA)、美国马里兰大学（University of Maryland, College Park, MD, USA）、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM, USA）、美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University, Columbus, OH, USA）;日本东京日本大学（Nihon University, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan）、日本千叶大学（Chiba University, Japan）、日本青山学院大学（Aoyama Gakuin University, Chuo-ku, Sagamihara, Kanagawa, Japan）、日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology, Meguro-ku, Tokyo, Japan）、日本理化研究所（RIKEN, Wako, Saitama, Japan）；英国莱斯特大学（University of Leicester, University Road, Leicester, UK）、英国伯明翰大学（University of Birmingham, B15 2TT, UK）、英国伦敦大学学院（UCL, Surrey RH5 6NT, UK）；意大利国家天体物理研究院-布雷拉天文观测站（INAF—Osservatorio Astronomico di Brera, Via Bianchi, Merate, Italy）、意大利国家天体物理研究院-巴勒莫天体物理研究所和宇宙物理研究所（INAF—Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Palermo, Italy）、意大利罗马意大利航天局航空研究所（ASI—Italian Space Agency, Rome, Italy）、意大利墨西拿大学（University of Messina, Messina, Italy）、意大利国家天体物理研究院-罗马天文观测站（INAF—Osservatorio Astronomico di Roma, Italy）；丹麦技术大学（Technical University of Denmark）、土耳其阿迪亚曼大学（Adiyaman University, Adiyaman, Turkey）、加拿大多伦多大学（University of Toronto, Toronto, Canada）以及法国弗朗切大学(Université de Franche Compté, Besançon, France)的研究人员。 

在此项新研究中，对GRB 221009A的观测从无线电波到伽马射线，包括由夏威夷的哈佛-史密森学会亚毫米波阵列（Harvard & Smithsonian's Submillimeter Array简称SMA）天体物理中心进行的关键毫米波观测;为数十年来对这些极端宇宙爆炸起源的探索提供了新的线索。

从GRB 221009A发射的伽马射线（gamma-ray emission）持续了300多秒。天文学家认为这种“持续很长时间”的伽玛射线暴（GRBs）是黑洞的诞生呐喊，它是在一个巨大且快速旋转的恒星的核心在自身重量的作用下坍塌而形成的。新生的黑洞以接近光速的速度发射出强大的等离子体射流，穿透正在坍塌的恒星，发出伽马射线。

GRB 221009A是有记录以来最亮的一次爆发，真正的谜团在于最初的伽马射线暴之后会发生什么。“当喷流撞击垂死恒星周围的气体时，它们会在整个光谱中产生明亮的‘余辉’（bright 'afterglow'）”，美国犹他大学（University of Utah）物理学和天文学助理教授、该研究的主要作者T.拉斯卡尔（Tanmoy Laskar）说。“余辉消逝得很快，这意味着我们必须在其消逝之前迅速灵活地捕捉余辉光线，并将光线的秘密一并带走。”

作为使用世界上最好的射电望远镜和毫米波望远镜（radio and millimeter telescopes）研究GRB 221009A的余辉活动的一部分，天体物理中心（Center for Astrophysics简称CfA）的天文学家埃多·伯杰（Edo Berger）和伊薇特·森德斯（Yvette Cendes）用亚毫米波阵列（SMA）迅速收集了数据。

哈佛大学和CfA的天文学教授埃多·伯杰说：“这场如此明亮的爆发为我们提供了一个独特的机会，我们可以以前所未有的细节探索余辉的具体行为和演化——我们不想错过此良机。我研究这些现象已有20余年了，这次的现象就像我第一次观察到的GRB一样令人兴奋。”

SMA项目科学家、CfA研究者加勒特·基廷（Garrett Keating）说：“得益于其快速反应能力，我们能够迅速将SMA转向GRB 221009A所在的位置。研究团队很高兴看到这个GRB的余辉是多么明亮，我们能够在它消逝的过程中持续监测10多天。”

在分析并综合了来自SMA和世界各地其他望远镜的数据后，天文学家们感到困惑：毫米波和无线电波的测量值比根据可见光和X射线的估计要亮得多。

CfA研究助理伊薇特·森德斯说：“这是我们收集到的最详细的数据集之一，很明显，毫米波和无线电波数据的表现并不像预期的那样。过去的一些GRBs曾表现出短暂的毫米波和无线电发射过量，这被认为是喷流自身冲击波的特征，但在GRB 221009A中，过量发射的表现与过去的情况截然相同。”

“我们很可能已经发现了一种产生过量毫米波和无线电波的全新机制，”她补充道。

伊薇特·森德斯说，一种可能性是，由GRB 221009A产生的强大喷流比大多数GRBs更复杂。“可见光和X射线可能是由喷流的一部分产生的，而早期的毫米波和无线电波（radio waves）则是由另一部分产生的。”

埃多·伯杰补充说：“幸运的是，这种余辉非常明亮，我们将继续研究它的无线电发射，持续数月甚至数年。随着时间跨度的延长，我们希望能够破解早期过量释放的神秘根源。”

对天文学家来说，用毫米波望远镜快速响应伽玛射线暴（GRBs）和类似事件的能力是一项至关重要的新能力，与这种特殊的伽玛射线暴（GRB）的确切细节无关。

埃多·伯杰说：“这次伽玛射线暴（GRB）的一个关键教训是，如果没有快速反应的射电望远镜和毫米波望远镜，比如SMA，我们将错过宇宙中最极端爆炸的潜在发现。我们无法提前知道这些事件何时会发生，因此如果我们要利用宇宙的这些天赋，我们必须尽可能地做出反应。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Joe S. Bright et al, Precise Measurements of Self-absorbed Rising Reverse Shock Emission from Gamma-ray Burst 221009A,arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.13583

Zheng-Hua An et al, Insight-HXMT and GECAM-C observations of the brightest-of-all-time GRB 221009A, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2303.01203

Abstract（DOI 10.3847/2041-8213/acbcd1）

We report the discovery of the unusually bright long-duration gamma-ray burst (GRB), GRB 221009A, as observed by the Neil Gehrels Swift Observatory (Swift), Monitor of All-sky X-ray Image, and Neutron Star Interior Composition Explorer Mission. This energetic GRB was located relatively nearby (z = 0.151), allowing for sustained observations of the afterglow. The large X-ray luminosity and low Galactic latitude (b =) make GRB 221009A a powerful probe of dust in the Milky Way. Using echo tomography, we map the line-of-sight dust distribution and find evidence for significant column densities at large distances (≳10 kpc). We present analysis of the light curves and spectra at X-ray and UV–optical wavelengths, and find that the X-ray afterglow of GRB 221009A is more than an order of magnitude brighter at T₀ + 4.5 ks than that from any previous GRB observed by Swift. In its rest frame, GRB 221009A is at the high end of the afterglow luminosity distribution, but not uniquely so. In a simulation of randomly generated bursts, only 1 in 10⁴ long GRBs were as energetic as GRB 221009A; such a large E_γ,iso implies a narrow jet structure, but the afterglow light curve is inconsistent with simple top-hat jet models. Using the sample of Swift GRBs with redshifts, we estimate that GRBs as energetic and nearby as GRB 221009A occur at a rate of ≲1 per 1000 yr—making this a truly remarkable opportunity unlikely to be repeated in our lifetime.