美国宇航局费米望远镜发现迄今最亮伽马射线爆发的新特征

2022 年 10 月，天文学家被迅速称为 BOAT 的现象震惊了——这是有史以来最明亮的伽马射线暴 (GRB)。现在，一个国际科学团队报告说，美国宇航局费米伽马射线太空望远镜的数据揭示了一个从未见过的特征。

迄今为止记录的最亮伽马射线爆发为科学家提供了一个新的高能特征供研究。了解 NASA 的费米任务看到了什么，以及这个特征可能告诉我们有关爆发的光速喷流的信息。图片来源：NASA 戈达德太空飞行中心

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“BOAT 爆发几分钟后，费米伽马射线暴监测器记录到了一个不寻常的能量峰值，引起了我们的注意，”首席研究员 Maria Edvige Ravasio 说，她来自荷兰奈梅亨的拉德堡德大学，隶属于意大利梅拉泰的INAF（意大利国家天体物理研究所）的布雷拉天文台。“当我第一次看到那个信号时，我起了一身鸡皮疙瘩。我们此后的分析表明，这是50 年来研究 GRB以来第一条高可信度的发射线。”

有关这一发现的论文发表在 7 月 26 日的《科学》杂志上。

当物质与光相互作用时，能量会以特有的方式被吸收和重新发射。这些相互作用可以使特定颜色（或能量）变亮或变暗，产生当光在光谱中像彩虹一样扩散时可见的关键特征。这些特征可以揭示大量信息，例如相互作用中涉及的化学元素。在更高的能量下，光谱特征可以揭示特定的粒子过程，例如物质和反物质湮灭产生伽马射线。

“虽然之前的一些研究已经报告了其他 GRB 中可能存在吸收和发射特征的证据，但随后的审查表明，所有这些都可能只是统计波动。我们在 BOAT 中看到的是不同的，”意大利米兰 INAF-Brera 天文台的合著者 Om Sharan Salafia 说。“我们已经确定，这个特征只是噪音波动的可能性不到五亿分之一。”

GRB 是宇宙中最强大的爆炸，会发射出大量伽马射线，即能量最高的光形式。最常见的类型是当大质量恒星的核心耗尽燃料、坍缩并形成快速旋转的黑洞时。落入黑洞的物质会为反向粒子喷流提供动力，这些粒子喷流以接近光速的速度冲破恒星的外层。当其中一个喷流几乎直接指向地球时，我们就能探测到 GRB。

BOAT 的正式名称为 GRB 221009A，于 2022 年 10 月 9 日爆发，并迅速使轨道上大多数伽马射线探测器（包括费米上的探测器）饱和。这使它们无法测量爆炸最强烈的部分。重建的观测结果加上统计论据表明，如果 BOAT 与之前检测到的 GRB 属于同一群体，那么它很可能是 10,000 年来地球天空中出现的最亮的爆发。

推测的发射线出现在爆发探测到后近 5 分钟，并且已经暗到足以结束费米的饱和效应。该线持续了至少 40 秒，发射达到约 12 MeV（百万电子伏）的峰值能量。相比之下，可见光的能量范围为 2 到 3 电子伏。

那么是什么产生了这种光谱特征呢？研究小组认为最可能的来源是电子及其反物质对应物正电子的湮灭。

“当电子和正电子碰撞时，它们会湮灭，产生一对能量为 0.511 MeV 的伽马射线，”意大利拉奎拉格兰萨索科学研究所和格兰萨索国家实验室的合著者 Gor Oganesyan 说道。“因为我们观察的是喷流，物质以接近光速的速度移动，所以这种辐射会发生很大的蓝移，并被推向更高的能量。”

如果这种解释是正确的，那么为了产生峰值为 12 MeV 的发射线，湮灭粒子必须以大约 99.9% 的光速向我们移动。

“经过几十年对这些令人难以置信的宇宙爆炸的研究，我们仍然不了解这些喷流的工作细节，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白·海斯指出。“找到像这种非凡的发射线这样的线索将有助于科学家更深入地研究这种极端环境。” 

费米伽马射线太空望远镜是戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作项目。费米望远镜由戈达德与美国能源部合作开发，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。