清華新聞網2月18日電 日前,，“天格計劃”團隊完成了對伽馬射線暴（Gamma-Ray Burst，簡稱伽馬暴）事例GRB 230812B的科學分析,，揭示了一個持續(xù)時間異常短,，卻與超新星成協(xié)的特殊伽馬暴事例，為了解II型伽馬暴的多樣性提供了全新視角,。
該研究工作以“跨越長短之界：天格計劃探測到超新星相關的3秒短伽瑪暴GRB 230812B”（Bridging the Gap: GRB 230812B—A 3s Supernova-associated Burst Detected by the GRID Mission）為題,，于1月17日在線發(fā)表于美國《天體物理學報》（Astrophysical Journal）。
同時,，GRB 230812B是迄今為止第三明亮的爆發(fā),，而得益于觀測角度與適宜的有效面積，“天格計劃”的5號衛(wèi)星載荷（GRID-05B）是唯一觀測到該爆發(fā)完整未飽和觀測數據的伽馬暴探測器,，亦使得GRB 230812B成為首個“以‘天格計劃’數據為主導”完成科學分析的伽馬暴,。
伽馬暴是宇宙大爆炸之后最劇烈的爆炸現象。目前的伽馬暴起源模型將伽馬暴分為兩類：兩秒及以上的長暴起源于與超新星相關的大質量恒星的坍縮,；而不到兩秒的短暴起源于兩顆極端致密天體,，例如中子星、黑洞等的并合,，并通常同時發(fā)出引力波,。
2023年8月12日，一次來自宇宙的壯麗“煙花”打破了沉寂,?！疤旄裼媱潯钡?號衛(wèi)星載荷（GRID-05B）成功捕捉到這次代號為GRB 230812B的伽馬暴事例（圖1）。隨后的觀測證實這次爆發(fā)來自紅移為0.36的一顆超新星,。
圖1.GRB 230812B光變曲線和持續(xù)時間,。自上而下為費米衛(wèi)星、極目衛(wèi)星和天格載荷GRID-05B的光變曲線,。最后一欄是天格載荷的時間積分光曲線,。由于GRID-05B面積較小、角度合理，得以在該超亮伽馬暴觀測中避免數據飽和
伽馬暴通常在高能段具有極高亮度,，而GRB 230812B在為迄今為止眾多伽馬暴樣本中第三明亮的爆發(fā),，導致部分正對它的探測器在觀測時出現了數據飽和的情況。然而,，得益于GRID-05B的觀測角度與適宜的有效面積,，天格探測器是唯一觀測到該爆發(fā)完整未飽和觀測數據的伽馬暴探測器（圖3），這也使得GRB 230812B成為首個“以‘天格計劃’數據為主導”展開分析的伽馬暴,。
圖2.“天格計劃”GRID-05B衛(wèi)星載荷在長光衛(wèi)星MF02A07星安裝示意圖
圖3.GRID-05B觸發(fā)GRB 230812B時的天區(qū)圖
根據“天格計劃”團隊對GRID-05B數據的分析,，GRB 230812B的持續(xù)時間僅約3秒，正好處于傳統(tǒng)上將伽馬暴分為長暴（>2 秒）和短暴（<2 秒）的交界（圖4）,。
圖4.伽馬暴持續(xù)時間分布圖,。紫色實線是GRB 230812B的持續(xù)時間
在能譜方面，研究團隊運用了由南京大學張彬彬教授團隊提出的同步輻射模型,，結果表明GRB 230812B在光譜滯后,、硬到軟的演變等方面均具備典型的大質量恒星坍縮型（II型）伽馬暴特征，其輻射半徑也與恒星坍縮場景相符合（圖5）,。
圖5.基于同步輻射模型的擬合結果,。左為各時間段的觀測光子計數譜與同步輻射模型對比；右上為不同能段光變曲線及模型預測,；右下為峰值能量隨時間演變示意
GRB 230812B本身持續(xù)時間短,，但卻與一顆超新星有關，這就對傳統(tǒng)觀點（即短伽馬暴僅起源于致密天體合并）提出了挑戰(zhàn),。
事實上,，GRB 230812B并不是首例持續(xù)時間異常短的超新星成協(xié)伽馬暴。2020年曾出現過類似的GRB 200826A,。其持續(xù)時間僅約1秒,，但觀測上與一顆超新星密切相關，也同樣起源于大質量恒星的坍縮過程,。研究團隊推測,，此類暴發(fā)可能歸于某個“特殊子類”，它們具有典型坍縮型伽馬暴的物理特征,，但在持續(xù)時間上卻大大短于通常的數十秒到上百秒,。GRB 230812B的出現恰恰以3秒的持續(xù)時間證實了這一預言。
“天格計劃”團隊進一步探討了其形成機制,，認為短持續(xù)時間很可能源于“中央引擎活動時長”與“噴流穿過恒星包層時間”之間只剩下很小的“凈空窗口”,。換言之，如果噴流花費大量時間來穿透恒星包層,，那么真正釋放到視線方向的伽馬射線就只剩下少量時間可被觀測,，從而顯現出“極短”的表現,。
圖6.（部分）伽馬暴關系圖。左圖為Amati Relation,，右圖為峰值光度和持續(xù)時間
GRB 230812B的發(fā)現說明,，在一定條件下，短持續(xù)時間的伽馬暴未必只能由致密天體合并產生,，大質量恒星坍縮也有可能誕生“短暴”,。這為我們了解II型伽馬暴的多樣性提供了全新視角，也提醒我們僅以時間長短來劃分伽馬暴類型遠遠不夠,。
清華大學天文系2022級博士生,、天格學生團隊成員王晨宇為論文的第一作者,，通訊作者包括南京大學天文與空間科學學院張彬彬教授,、中國科學院高能物理研究所馮驊研究員和清華大學工程物理系曾鳴教授。
此次成功觀測到GRB 230812B伽馬暴事例的“天格計劃”GRID-05B衛(wèi)星載荷,，由清華大學天格學生團隊研制完成,，并于2023年1月15日搭載長光衛(wèi)星MF02A07星從太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射升空。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ada934
供稿：工物系
編輯：李華山
封面圖設計：賀茂藤
審核：郭玲
