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，利用GECAM-C和其他设备的观测数据并结合理论研究，对史上最亮伽马暴（GRB 221009A）研究取得一系列重要进展，揭示了伽马暴发出的相对论性喷流产生瞬时辐射、余辉辐射、特别是伽马谱线的物理机制，用全新的方法测量了喷流速度和张角，以及伽马谱线辐射区尺度，发现喷流以磁能主导。近日，相关成果的两篇论文在国际主流期刊《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）正式发表。

伽马暴是宇宙中最剧烈的爆炸事件，普遍认为有两种产生机制：一颗很大质量的恒星在寿命末期发生坍缩爆炸，或者两颗黑洞或者中子星等致密星发生并合爆炸。无论哪种爆炸过程，都在中心形成一颗黑洞或者快速转动的中子星等极端天体，其驱动一对方向相反、接近光速运动的喷流（称为相对论性喷流），在喷流内部以及喷流与周围介质相互作用产生瞬时辐射和余辉辐射。然而，伽马暴喷流的速度、物质组分和几何结构等基本物理性质，以及能量耗散机制和辐射区位置等重要问题长期没有定论。

GRB 221009A 是迄今观测到的最亮的伽马暴，慧眼卫星（Insight-HXMT）和GECAM-C在keV至MeV能段精确测量了其瞬时辐射和早期余辉，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）在TeV能区对余辉辐射开展了高统计量的精确测量。此外，极目卫星团队利用GECAM-C和Fermi/GBM联合观测数据发现一系列幂律演化的伽马射线谱线，而且谱线能量高达37 MeV，刷新了迄今探测到的宇宙天体产生的伽马谱线最高纪录。这些重要观测为深入揭示伽马暴及喷流物理性质提供了前所未有的机遇。

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

  ?

在本次系列成果的第一项工作中，研究团队分析了GRB 221009A宽能段辐射的关系，发现GECAM-C测量的keV-MeV能段瞬时辐射与LHAASO测量的TeV能段余辉辐射存在紧密关联，瞬时辐射累积光变曲线可以极好地拟合余辉辐射上升段光变曲线，且TeV余辉辐射相对瞬时辐射存在约4.5秒时间延迟，这是伽马暴喷流向外激波区域连续注入能量的直接证据。基于这一发现，研究团队建立了理论模型，利用余辉相对瞬时辐射时间延迟测量了喷流速度。此外，研究团队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成分，破解了余辉辐射在初始阶段快速上升之谜。该项成果的研究论文于9月6日正式发表，中国科学院高能物理研究所博士研究生张艳秋是论文第一作者，中国科学院高能物理研究所熊少林研究员、北京大学科维理天文与天体物理研究所林浩翔博士和黎卓教授、中国科学院高能物理研究所葛明玉研究员是论文共同通讯作者。

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^[1]

  ?

在第二项工作中，研究团队聚焦GRB 221009A 伽马射线谱线这一重大发现，揭示了谱线产生机制和喷流物理性质。在前期工作中，GECAM团队发现伽马谱线的中心能量随时间以幂律演化，且幂律指数恰好为-1，且谱线的相对展宽保持在10%左右。在本项工作中，合作团队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幂律演化，而且系统性研究了喷流中正负电子对的产生、冷却和湮灭等过程，从而直接测量或限制喷流的重要参数，包括辐射区距离伽马暴中心天体约 10^{^}16 厘米。由此，论述了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。同时结合瞬时辐射和余辉等特征，基本排除了原子谱线或核素线等可能。此外，较小的谱线展宽要求电子对迅速冷却，结合第一项工作对喷流速度的测量，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。该项成果的研究论文于9月16日正式发表，中国科学院高能物理研究所张镇博士是论文第一作者和共同通讯作者，北京大学科维理天文与天体物理研究所黎卓教授和林浩翔博士、中国科学院高能物理研究所熊少林研究员是论文共同通讯作者。

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^[2]

  ?

上述研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。

研究论文：

[1] Yan-Qiu Zhang?et al?2024?ApJL?972?L25, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad6df8

[2] Zhen Zhang?et al?2024?ApJL?973?L17, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad758e