近期，中国科学院紫金山天文台宇宙伽马暴、中子星及相关物理研究团组在伽马暴兆电子伏特（MeV）谱线研究领域取得进展。该团队利用费米卫星伽马射线暴监测器（Fermi-GBM）的观测数据，在伽马暴GRB 221023A的能谱中发现了一条2.1 MeV的发射线，这是在伽马暴能谱中发现的第二例MeV发射线事件。相关研究结果以《Probable evidence for a transient megaelectron volt emission line in the GRB 221023A》为题正式发表在《自然•通讯》（Nature Communications）上，并入选该杂志编辑推荐的亮点论文。
伽马暴是宇宙中最剧烈的伽马射线爆发现象。尽管迄今为止已经取得了许多进展，但伽马暴的起源和辐射机制仍然存在诸多未解之谜，如：伽马暴的前身星是什么? 产生伽马射线的辐射过程是什么? 伽马暴谱线的探测对于研究其物理机制非常重要，能够为揭示伽马暴的中心引擎、喷流结构和辐射过程等提供重要线索。然而在伽马暴能谱中，探测X射线或伽马射线谱线的进展相对缓慢，目前仅在GRB 221009A中发现了一条显著性超过5σ、能量约10 MeV的窄发射线，这也是伽马暴研究史上首次在MeV能段发现谱线存在的证据，但该MeV发射线的物理起源仍不清楚。
紫金山天文台研究团队在GRB 221023A瞬时辐射能谱中，发现了一个比较显著的发射线特征，其能量范围位于2.1 MeV附近，该特征最高统计显著性出现在Fermi-GBM触发后8到30秒的时间间隔中，见图1，对应的偶然概率值<1×10-7，这是继GRB 221009A之后在伽马暴MeV能量范围内观测到的第二个发射线事件。但与GRB 221009A不同的是，GRB 221023A中发射线的中心能量几乎不随时间演化，而宽度随着时间增加有减小的趋势，这为深入研究伽马暴谱线形成机制提供了新的观测依据。MeV发射线可能是通过伽马暴喷流中携带的相对论性高原子序数类氢离子中的激发态电子的退激过程产生的。假设伽马暴喷流的半张角θj=0.1rad, 红移z=0.1，可以推导出伽马暴喷流的洛伦兹因子约为280，喷流中携带的重核总质量约为1.2×1026g，重核的动能约为3×1049erg。这一发现为研究伽马暴的喷流物质成分和物理环境提供了新的线索，同时也表明伽马暴喷流中可能含有大量的相对论重子物质，是宇宙中高能宇宙线的来源之一。
图1：GRB 221023A在Fermi-GBM触发后8到30秒时间间隔内，采用Band+Gaussian函数拟合得到的νFν能谱图。
紫金山天文台博士研究生蒋璐遥为论文第一作者，韦大明研究员为通讯作者，合作者包括王鋆博士后、魏煜佳博士、李翔副研究员、贺昊宁副研究员、任佳博士后、沈兆强副研究员和金志平研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院和江苏省等项目的资助。
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