研究在伽馬暴能譜中發現兆電子伏特發射線觀測證據

　　近期，中國科學院紫金山天文臺科研人員在伽馬暴兆電子伏特（MeV）譜線研究方面取得進展。該研究利用費米衛星伽馬射線暴監測器（Fermi-GBM）觀測數據，在伽馬暴GRB 221023A的能譜中發現了一條2.1 MeV的發射線，這是在伽馬暴能譜中發現的第二例MeV發射線事件。

　　伽馬暴是宇宙中最劇烈的伽馬射線爆發現象。盡管迄今為止已取得較多進展，但伽馬暴的起源和輻射機制仍存在較多未解之謎。例如，伽馬暴的前身星是什么？產生伽馬射線的輻射過程是什么？伽馬暴譜線探測對研究其物理機制非常重要，能夠為揭示伽馬暴的中心引擎、噴流結構和輻射過程等提供線索。而在伽馬暴能譜中，探測X射線或伽馬射線譜線的進展相對緩慢，僅在GRB 221009A中發現了一條顯著性超過5σ、能量約10 MeV的窄發射線。這是伽馬暴研究史上首次在MeV能段發現譜線存在的證據，但該MeV發射線的物理起源尚不清楚。

　　該研究在GRB 221023A瞬時輻射能譜中發現了一個比較顯著的發射線特征，其能量范圍位于2.1 MeV附近。這一特征最高統計顯著性出現在Fermi-GBM觸發后8秒到30秒的時間間隔中，對應的偶然概率值<1×10-7。這是繼GRB 221009A之后在伽馬暴MeV能量范圍內觀測到的第二個發射線事件。但是，與GRB 221009A不同的是，GRB 221023A中發射線的中心能量幾乎不隨時間演化，而寬度隨著時間增加有減小的趨勢，這為研究伽馬暴譜線形成機制提供了新的觀測依據。MeV發射線可能是通過伽馬暴噴流中攜帶的相對論性高原子序數類氫離子中的激發態電子的退激過程產生的。假設伽馬暴噴流的半張角θj=0.1rad，紅移z=0.1，可推導出伽馬暴噴流的洛倫茲因子約為280，噴流中攜帶的重核總質量約為1.2×1026g，重核的動能約為3×1049erg。

　　這一發現為研究伽馬暴的噴流物質成分和物理環境提供了新線索。同時，研究表明，伽馬暴噴流中可能含有大量的相對論重子物質，是宇宙中高能宇宙線的來源之一。

　　相關研究成果被遴選為亮點論文，發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、中國科學院及江蘇省等的支持。