“天极”望远镜制定了一个小目标:捕捉宇宙中发生的伽玛暴

2016年09月14日 14:44 新浪科技 微博
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  出品:科普中国

  制作:冯华 张双南 熊少林

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  服役多年的天宫一号见证了我国宇航技术和天文探测的发展,以及诸多太空科学实验走入并扎根太空的步伐,如今,继天宫一号之后,天宫二号又要出征太空,开启我国宇航及空间实验相关方面的科技新征程。作为“天宫一号”的“继承者”,天宫二号上即将进行的各类实验达到了史无前例的14项,堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。根据计划,天宫二号上将开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验,因此可以说天宫二号也是中国第一个真正意义上的空间实验室。

  除此之外,天宫二号还将身负神秘任务,它将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜进入太空展开科学探索实验。这项由中国-瑞士合作开展的“伽马暴偏振探测项目”(POLAR)是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分,该计划以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针,理解宇宙极端物理过程和规律,解答宇宙组成和演化。这表示天宫二号上将携带世界上伽马暴和黑洞探测在伽玛射线偏振探测方面能力最专业的设备,极有可能为我国天体物理学的发展带来重要的突破。更多关于“天极”的专业资讯,我们邀请到了中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南教授来解答。

中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南

  伽玛暴——恒星的“生命之花”

  天宫二号上即将进行的各类实验达到了史无前例的14项,堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。其携带的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜,就如同小蜜蜂的“复眼”一般,捕捉遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴(简称伽玛暴)现象。那么什么是伽马射线?伽玛暴又是怎样的物理现象?

  张双南研究员解释说,伽马射线与我们所熟悉的可见光一样,也是电磁波的一种。电磁波按波长(即相邻两个波峰的距离)从长到短,可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等等。因此,伽玛射线是波长最短、能量最高的电磁波,它的能量比可见光大几十万倍以上。伽玛暴是伽马射线暴的简称,恒星在演化到最后的时候内部将发生剧烈的爆发,而这种爆发的过程中可能伴随着强烈的伽马射线的爆发。虽然这种强烈的伽马射线辐射持续时间长则不过几千秒,短则不足百分之一秒,然而其亮度却超过全宇宙其它天体的总和,辐射能量比太阳一生辐射的总能量还多得多,犹如恒星最后的“生命之花”,将一生的辉煌在一瞬间绽放。另外,当两个黑洞或者中子星最后并合在一起的时候,也会产生强烈的伽马射线的爆发,这种爆发的能量通常比我们一般所知道的超新星爆发它的总能量要高成千上万倍,也被称为是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体的爆发现象。

伽玛暴正面示意图伽玛暴正面示意图

  天极——捕捉宇宙中最美的瞬间

  从1973年公布发现伽玛暴以来,关于伽玛暴的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。自1997年以来,伽玛暴的观测研究四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。但是因为技术的限制,对于伽马射线偏振现象的研究一直没有突破性的进步,甚至说仍旧是一个空白的领域。

  张双南表示,关于伽玛射线偏振的研究之所以进展缓慢,主要是因为伽马射线偏振的测量与一般的测量方法非常不同,除了需要测量光子到达的方向、能量和时间以外,还需要经过伽玛射线探测器中的多个作用过程才能够获取偏振的测量信息,这个在技术上的难度非常大。但是,偏振信息却是研究伽玛暴现象的重要参考信息,它对于理解伽玛暴的产生原因、产生环境的磁场和几何结构起着关键性作用。

  那么作为高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜又有怎样的独特之处呢?张双南解释说,“天极”探测器与普通的探测器或者望远镜不同,一般的望远镜会有一个镜头,镜头下面就是胶片或者CCD(电荷耦合器件),但是“天极”是由一个阵列的探测器共同组成,一共25个单元,每个单元内都有64个不同的探测器,所以“天极”是由总共1600个敏感元件组成的探测器,这样的组合就如同自然界中蜜蜂等昆虫的“复眼”一般,所以我们给“天极”起了一个小名叫“小蜜蜂”,“天极”望远镜就是利用这么多不同的“眼睛”来“观测”伽马射线的偏振现象的。

伽玛暴偏振探测器—OBOX实物图伽玛暴偏振探测器—OBOX实物图

  非同凡响的探索

  “天极”望远镜的英文名叫做POLAR,除了具有“极化”的含义之外,它其实也是“Polarization偏振”这个单词的缩写,所谓天极就是天体的极化,而极化就是偏振。

  伽玛暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙学距离上的恒星级过程,能够将天体物理中最重要的三个层次-恒星、星系以及宇宙学联系起来。虽然这十几年来人们对伽玛暴的研究取得了长足的进步,但是有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。对伽玛暴伽玛射线偏振的研究可以为许多伽玛暴问题提供新的线索。但是由于仪器能力的限制,目前国际上的观测结果还非常少,而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。也就是严格来说,目前世界上还没有对伽玛暴伽玛射线偏振的有效测量结果。

  张双南表示,作为国际上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测仪器,“天极”能够获得高精度伽玛射线偏振测量的最大样本,它的主要科学目标是观测伽玛射线暴并且测量伽玛射线暴的偏振性质,预期运行两年“天极”可以探测到大约100个伽玛射线暴。通过系统地测量伽玛射线暴的偏振,能够从观测上对伽玛射线暴的辐射机制模型加以限制或约束,为更好的理解宇宙中极端天体物理环境下的这种最剧烈的爆发现象产生的机制做出重要的贡献。

伽玛暴偏振探测器—OBOX设计原理图伽玛暴偏振探测器—OBOX设计原理图

  伴随着天宫二号的发射升空,“天极”望远镜将正式展开伽玛射线偏振性质的测量研究工作,这将为伽玛暴研究打开一扇新的窗口,有望取得新的进展和发现。作为天宫二号空间实验室(TG-2)搭载的所有实验中唯一的国际合作项目,我们也期待着“天极”将带领人类开辟出天体物理学的一片崭新天地。

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