紫金山天文台等证认出宇宙中最剧烈的光学紫外耀发

近日，中国科学院紫金山天文台研究员范一中、金志平领衔的国际团队，提出了雨燕（Swift）卫星紫外光学望远镜（Swift/UVOT）在中等饱和情况下的数据处理方法并将其应用到伽马暴GRB 220101A的分析研究中，证认出了迄今为止人类探测到的最剧烈光学紫外耀发。6月26日，相关研究成果以An optical–ultraviolet flare with absolute AB mag-nitude of -39.4 detected in GRB 220101A为题，在线发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上。

伽马暴是宇宙中最剧烈的恒星尺度的爆发现象，其主要辐射能量集中在软伽马射线波段。因此，软伽马射线辐射时期被称为伽马暴的瞬时辐射阶段。瞬时辐射结束后，科学家往往能观测到持续约数周甚至数年的X射线，光学乃至射电辐射，也就是余辉辐射。在GRB 990123瞬时辐射的末期，科学家看到了明亮的光学闪耀现象，被认为标志着余辉辐射的开始。在当时该光学闪耀也是人类记录到地宇宙中光度最高的紫外光学辐射。关于该闪耀的深入研究表明，辐射区具有很强的磁场，反映了磁活动在提取中心引擎中所发挥的重要作用。2008年科学家记录到GRB 080319B瞬时光学辐射。尽管这个伽马暴距离地球极其遥远，但其最亮的时候可以被人类用肉眼看到，因此被命名为肉眼暴。与GRB 990123 不同，GRB 080319B的辐射更多的是反映了中心引擎的不规则活动状况，与余辉辐射关联性不强。长期以来，GRB 080319B保持着宇宙中最剧烈光学紫外耀发事件这一世界纪录。

2022年1月1日，Swift卫星探测到一个新的爆发GRB 220101A。由于它的光学余辉很明亮，科学家很快测量出其红移值为4.618，因此探测到的光学辐射其实是被红移过的紫外光子。这些紫外光子的被吸收效应非常严重，在达到地球之前已损失了约99%，也就是实际的辐射流量是观测值的约100倍。这表明GRB 220101A是极其剧烈的光学紫外耀发。在暴后79秒Swift/UVOT便进行了150秒的event模式白光观测。该团队开展了高时间分辨的测光分析发现，GRB 220101A的流量演化非常剧烈特别是峰值时刻望远镜已经处于中等饱和状态。该情形下如何进行UVOT的数据分析，之前的文献并无可靠方案。科研人员基于该望远镜的“点扩散函数”效应提出了对处于中等饱和的UVOT数据处理方法，并证实其可以给出可信的真实流量。结果表明，GRB 220101A的绝对星等达到了-39.4，这也是人类目前探测到的唯一一个绝对星等亮于-39等的光学紫外辐射源。如图所示，GRB 220101A的辐射光度约为太阳的40亿亿倍，打破了GRB 080319B保持14年之久的世界纪录。分析进一步发现，GRB 220101A的光学辐射行为既不同于标志着余辉开始的GRB 990123的光学紫外闪耀，也不同于直接示踪中心引擎活动的GRB 080319B，而需要新的模型解释，这表明了超亮光学紫外爆发的物理起源多样性。研究提出，即将于2024年初发射的中法空间变源监视器SVOM卫星可望探测到更高红移的极其剧烈的光学紫外爆发现象。

中国科学院国家天文台和意大利国立天体物理研究院的科研人员参与研究。研究工作得到国家自然科学基金、中国空间站工程巡天望远镜和青海省重大科技专项等的支持。

GRB220101A的光学紫外辐射和太阳、千新星AT 2017gfo、银河系、黑洞潮汐瓦解恒星事件AT 2021lwx、类星体QSO J2157-3601以及GRB 080319B的辐射的对比图。在其峰值辐射阶段，GRB 220101A的光学紫外波段光度约是太阳的40亿亿倍。