极目卫星团队在最亮伽马暴研究中取得系列重要进展
文章来源：国家高能物理科学数据中心
更新时间：2024-09-25 15:44
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。
国家高能物理科学数据中心承担了极目卫星科学应用系统和数据服务平台建设，为科学卫星建立了地面数据传输、存储及科学计算平台，为科学数据的生产和科学研究提供服务，助力成果的产出。
GRB 221009A是迄今观测到的最亮的伽马暴，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。
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。
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
新闻来源：中国科学院高能物理研究所
http://ihep.cas.cn/xwdt2022/gnxw/hotnews/2024/202409/t20240925_7379793.html
国家高能物理科学数据中心承担了极目卫星科学应用系统和数据服务平台建设，为科学卫星建立了地面数据传输、存储及科学计算平台，为科学数据的生产和科学研究提供服务，助力成果的产出。
GRB 221009A是迄今观测到的最亮的伽马暴，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。
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。
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]
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
新闻来源：中国科学院高能物理研究所
http://ihep.cas.cn/xwdt2022/gnxw/hotnews/2024/202409/t20240925_7379793.html