近期，中国科学院紫金山天文台研究团队利用费米卫星大面积伽马射线望远镜（Fermi-LAT）的观测数据，发现了一个来自于GRB 221009A方向的400 GeV光子，利用这一观测发现实现了星系际磁场强度的首次推断。相关研究结果以“A delayed 400 GeV photon from GRB 221009A and implication on the intergalactic magnetic field”为题正式发表在《自然•通讯》（Nature Communications）上。

星系际磁场（Intergalactic magnetic field，IGMF）对理解宇宙磁场的起源和演化、早期宇宙的大尺度结构形成、星系形成和演化以及河外宇宙射线起源和传播，都具有极其重要科学价值。其强度是现代天文学的一个关键参数，但是由于极其微弱，之前没有得到过可靠的测量。

GRB 221009A是迄今为止观测到的最亮伽马射线暴。2022年10月9日，费米卫星上搭载的伽马暴监测仪（Fermi-GBM）首先报道了这个异常明亮的伽马暴。200秒后，Fermi-LAT观测到了GRB 221009A暴发的高能辐射。尽管当时GRB 221009A与暗物质粒子探测卫星（DAMPE）的视场方向成约90度夹角，但DAMPE仍观测到了显著的计数增加。最令人瞩目的是，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）在GBM  221009A触发后的2000秒内探测到了高达13 TeV的甚高能辐射。深入研究表明该甚高能辐射来自于一个窄的极强喷流的同步自康普顿（Synchrotron Self-Compton，SSC）辐射，证实了Zou,Fan & Piran 在2009年基于著名的肉眼暴GRB 080319B的双成分喷流模型的预言。

紫金山天文台研究团队分析了Fermi-LAT对GRB 221009A方向的长时间观测数据，在暴发后大约0.4天发现了一个能量约为400 GeV 的光子。它是目前为止Fermi-LAT探测到来自于伽马暴的最高能光子。此光子的位置与Swift/UVOT对GRB 221009A的观测定位高度成协，见图1。其来自于GRB 221009A的概率高达99.99937%，对应的显著性水平达4.4σ。值得注意的是，此刻并没有探测到伴随的低能辐射。这种特征的能谱，很难由同步自康普顿高能余辉模型解释，却可以自然地由能量为～10 TeV的初级光子引发的次级电磁级联（Cascade）产生。

伽马暴发出的初始TeV光子在传播过程中会被红外背景光吸收生成极端相对论性正负电子对。它们通过散射宇宙微波背景辐射光子可以产生次级的GeV光子。由于正负电子对在传播过程中会受到星系际磁场影响而产生偏折，这会导致产生的次级GeV光子在观测上出现到达时间的延滞特征，见图2。假设星系际磁场的相干长度为1Mpc，研究团队分析后发现星系际磁场强度为～4X10^-17 G（与TeV blazars的限制相当），可以自然地解释～400 GeV光子的产生及其延滞到达时间。随后，研究团队进一步结合LHAASO的TeV 观测，通过蒙特卡洛模拟印证了级联辐射模型的起源解释要优于同步自康普顿余辉模型，同时排除了1X10^-18G以下的星系际磁场强度的参数空间，见图3。

紫金山天文台夏子晴副研究员为论文第一作者，范一中研究员为通讯作者，王鋆博士后与袁强研究员为共同作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、科学探索奖和江苏省项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48668-5

图 1：GRB 221009A暴发后0.05天-1天时间区间内的Fermi-LAT光子图，其中红点代表~400GeV光子，蓝色三角为Swift/UVOT对GRB 221009A的观测定位结果，灰色方块为VLBA的定位结果，金色五角星位LHAASO-WCDA的定位结果。 

图 2：伽马暴发出的初始10TeV光子产生级联辐射过程的示意图。

图 3：基于Fermi-LAT数据的GRB220109A观测能谱、同步自康普顿(SSC)余辉模型预期能谱和模拟得到的次级电磁级联(Cascade)辐射预期能谱。