伽馬暴如何形成磁陀星？中國(guó)天關(guān)和極目衛(wèi)星聯(lián)手揭示直接證據(jù)

來(lái)源：中國(guó)新聞網(wǎng)

中新網(wǎng)北京12月20日電 (記者 孫自法)伽馬射線暴(伽馬暴)是宇宙大爆炸以來(lái)最為壯觀的爆發(fā)現(xiàn)象，盡管科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的幾十年里已探測(cè)到數(shù)千例伽馬暴，但其起源和爆發(fā)形成中心引擎(也稱中心天體)仍存在諸多未解之謎，也廣受關(guān)注。

直接證據(jù)

記者12月20日從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)獲悉，由中國(guó)科學(xué)院研制的兩顆科學(xué)衛(wèi)星——天關(guān)(愛因斯坦探針，EP)衛(wèi)星的探路者“萊婭”(LEIA)和“懷柔一號(hào)”極目(GECAM)衛(wèi)星，成功捕捉到編號(hào)為GRB 230307A的伽馬暴瞬時(shí)輻射，科學(xué)家們據(jù)此研究揭示出該伽馬暴的獨(dú)特性質(zhì)，并首次在瞬時(shí)輻射階段發(fā)現(xiàn)磁陀星(高速自轉(zhuǎn)且具有極強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星)作為伽馬暴爆發(fā)形成中心引擎的直接證據(jù)。

本次研究成果論文中GRB 230307A的X射線光變曲線以及磁陀星作為中心引擎的模型擬合示意圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

這項(xiàng)重要天文學(xué)發(fā)現(xiàn)研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)及美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)合作完成，相關(guān)成果論文近日在綜述性學(xué)術(shù)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review，NSR)上線發(fā)表。

兩種理論

研究團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，學(xué)界關(guān)于伽馬暴中心引擎主要有兩種理論，一種理論認(rèn)為，伽馬暴的中心引擎可能是黑洞，通過(guò)其強(qiáng)大的引力快速吸積周圍物質(zhì)，形成吸積盤并驅(qū)動(dòng)相對(duì)論噴流。另一種理論則提出，伽馬暴的中心引擎可能是一顆磁陀星，其磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球磁場(chǎng)的數(shù)萬(wàn)億倍，能夠釋放巨大的磁能為伽馬暴供能。

不過(guò)，要確定伽馬暴的中心引擎究竟是哪一種并非易事。科學(xué)家們需要通過(guò)多波段觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析來(lái)尋找線索。例如，一些短伽馬暴的X射線余輝光變曲線中顯示出平臺(tái)特征，可能暗示自轉(zhuǎn)周期短至毫秒的磁陀星作為中心引擎的可能性。然而，此前缺乏直接的觀測(cè)證據(jù)來(lái)驗(yàn)證這些假設(shè)。

深入分析

2023年3月7日，全球眾多望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到一例非常明亮而特殊的伽馬暴GRB 230307A，為伽馬暴中心引擎的研究帶來(lái)新曙光。雖然其主暴持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，表面上屬于長(zhǎng)伽馬暴的范疇，但紅外波段的觀測(cè)顯示其伴隨著千新星的輻射，且相對(duì)于其宿主星系有較大的位置偏移，這些特征表明GRB 230307A可能源自致密星的并合。

在本項(xiàng)研究中，基于天關(guān)衛(wèi)星探路者“萊婭”和極目衛(wèi)星成功捕捉到GRB 230307A的瞬時(shí)輻射，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)這兩顆科學(xué)衛(wèi)星聯(lián)合獲得的覆蓋從X射線到伽馬射線寬波段(500電子伏至600萬(wàn)電子伏)數(shù)據(jù)的深入分析，發(fā)現(xiàn)GRB 230307A瞬時(shí)輻射的性質(zhì)支持該伽馬暴起源于致密星的并合。

本次研究成果論文中“萊婭”和極目衛(wèi)星聯(lián)合探測(cè)到的GRB 230307A的多波段光變曲線和能譜示意圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

尤其值得關(guān)注的是，該伽馬暴在伽馬射線和X射線波段表現(xiàn)出截然不同的特征。具體而言，X射線輻射的持續(xù)時(shí)間要顯著長(zhǎng)于伽馬射線，且其X射線的能譜與根據(jù)伽馬射線能譜分布向X射線波段外推的結(jié)果存在顯著差異，特別是在伽馬射線輻射消失后，X射線波段顯現(xiàn)出由磁陀星驅(qū)動(dòng)的輻射成分。

全球聯(lián)合

天關(guān)衛(wèi)星寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡(英文縮寫WXT，中文昵稱“萬(wàn)星瞳”)載荷科學(xué)家、“萊婭”負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)凌志興正高級(jí)工程師說(shuō)，作為天關(guān)衛(wèi)星“萬(wàn)星瞳”載荷的一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，“萊婭”搭載空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射具有重大意義，它為“萬(wàn)星瞳”載荷提供了在軌驗(yàn)證試驗(yàn)的機(jī)會(huì)，確保“萬(wàn)星瞳”在實(shí)際運(yùn)行中能夠達(dá)到預(yù)期的性能。

天關(guān)衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)袁為民研究員指出，“萊婭”獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)極具科學(xué)價(jià)值。其成功捕捉到GRB 230307A的瞬時(shí)輻射，揭示了該伽馬暴的獨(dú)特性質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)，不僅證實(shí)磁陀星可作為伽馬暴的中心引擎，更為研究致密天體的物態(tài)性質(zhì)提供重要依據(jù)。

極目衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所熊少林研究員表示，GRB 230307A是極目衛(wèi)星繼精確測(cè)量千年一遇的最亮伽馬暴之后發(fā)現(xiàn)的又一個(gè)極端明亮的伽馬暴。這個(gè)重要伽馬暴首先由極目衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)并及時(shí)向國(guó)際天文界通報(bào)，從而開啟了全球范圍內(nèi)的聯(lián)合觀測(cè)。

據(jù)了解，天關(guān)衛(wèi)星是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)立項(xiàng)并實(shí)施的空間科學(xué)衛(wèi)星系列任務(wù)之一，由中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)，歐洲空間局、馬普地外物理研究所和法國(guó)國(guó)家空間研究中心參與研制。極目衛(wèi)星是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)研制的科學(xué)衛(wèi)星，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所提出概念，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心等研制。(完)