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探测仪器助“天宫二号”精准捕捉伽马暴

2016-11-16 14:15:12  来源:科学网
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【导读】一般认为是大质量恒星死亡时产生的一种“长暴”现象,往往与遥远的超新星爆发相关。大质量恒星迅速耗尽核燃料后,由于核心无法再继续反应产生能量,于是在自身重力作用下坍缩,迅速形成一个黑洞。

一般认为是大质量恒星死亡时产生的一种“长暴”现象,往往与遥远的超新星爆发相关。大质量恒星迅速耗尽核燃料后,由于核心无法再继续反应产生能量,于是在自身重力作用下坍缩,迅速形成一个黑洞。在理论上,坍缩过程中能量会沿着两个极窄的方向以高能辐射的形式发射出去,这就形成了伽玛暴。

“天极”望远镜设计原理图

伴随着“天宫二号”升空的荷载实验项目达到了史无前例的14项,因此,这个“天上宫阙”堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。其中唯一国际合作实验项目“天极”望远镜被形象地称为“小蜜蜂”,它不是普通的光学望远镜,而是目前国际上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测仪器,工作时如同小蜜蜂的“复眼”一般,精密捕捉遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴(简称伽玛暴)现象。

伽玛暴绽放最美“生命之花”

认识了伽玛射线才能了解伽玛暴。中科院高能物理研究所研究员、“天极”伽玛暴偏振探测仪项目首席科学家张双南解释说,伽玛射线与可见光一样,是电磁波的一种。

电磁波按波长从长到短,可分为无线电波、微波、紫外线、X射线和伽玛射线等。而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。伽玛射线还有很强的穿透性。地球有大气层保护,各种伽玛射线无法到达地面,探测只能在太空进行。

伽玛暴是宇宙伽玛射线暴的简称,是伽玛射线大爆发。一般情况下,恒星在生命最后时刻,内部会发生剧烈爆发,可能会伴随着强烈的伽玛射线爆发。虽然这种伽玛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(百亿年)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,也会产生强烈的伽玛射线的爆发,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。

从1973年公布发现伽玛暴以来,关于它的起源及物理过程一直是天文学和物理学中活跃的前沿领域。1997年至今,伽玛暴的观测研究4次被《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。

“小蜜蜂”偏爱伽玛暴

伽玛暴偏振是指伽玛暴发射的伽玛射线的偏振。由于伽玛射线是电磁波的一种,那么我们先来了解一下电磁波的偏振:电磁波若向左传播,跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场,它们也互相垂直,其中电场的振动方向即电磁波的偏振方向。同理,伽玛暴发射的伽玛射线也是电磁波,所以伽玛射线的偏振就是电磁波电场的振动方向。

宇宙天体产生的伽玛射线光子具有如下4方面的信息:光子的到达时间、能量、方向以及偏振。科学家对前三个方面都已经有成熟的办法来探测研究,然而在最后的偏振探测上却碰了钉子。为解决这个问题,中国科学院高能物理研究所牵头,瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所、波兰核物理研究所等单位参加研制的“天极”望远镜诞生了。

说到望远镜,人们首先想的是普通望远镜,“天极”却不一样,它的全称是“天极”伽玛暴偏振探测仪(英文名POLAR),是专门用于测量伽玛暴偏振的高灵敏度探测器,安装于“天宫二号”空间实验室的舱外,背对地球,可以有效地捕捉到伽玛暴发生过程中产生的伽玛光子,并测量它们的偏振性质。

“天极”被形象地称为“小蜜蜂”,原因是小蜜蜂有3只单眼、2只复眼,每个复眼包含6300个小眼,这些小眼能根据太阳的偏振光确定太阳的方位,虽然“天极”和小蜜蜂测量偏振的原理不相同,但二者在“眼睛”的构造上却有异曲同工之妙。“天极”采用1600根塑料闪烁棒(伽玛射线在该塑料材料中可诱发荧光)组成一个探测器阵列,通过测量与每个伽玛射线光子同时作用的多根塑料闪烁棒的位置分布获取偏振信息。

此外,由于伽玛暴是不可预测的随机发生的天文事件,为了最大限度地捕捉伽玛暴,“天极”在条件允许的情况下会尽量多地开机运行,犹如辛勤的小蜜蜂,不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。

伽玛暴偏振开启天文学发展新窗口

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。它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程,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,但对于理解伽玛暴的产生原因、产生环境周围的磁场和几何结构至关重要的偏振现象研究却因为技术限制,一直没有突破性的进步,甚至说仍旧是一个空白的领域。张双南解释说,这主要是因为伽玛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,这在技术上的难度非常大。

作为国际上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测仪器,“天极”的主要科学目标就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,可以探测到大约100个伽玛射线暴,虽然数量上不是最多,但“天极”能够获得高精度伽玛射线偏振测量的最大样本。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,为更好地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。

如科学家所说,望远镜和探测器是天文学这列火车的车头。天文学家一方面把望远镜做得更大更灵敏,让火车更快;同时还在思考如何修建新的铁路、开凿新的隧道,让火车可以领略不同的风景。伽玛射线偏振探测就是这样一条“新铁路”,而“天极”伽玛暴偏振探测仪为伽玛暴研究打开了一扇新的窗口,我们期待着这个“天宫二号”上唯一的国际合作实验项目能为人类开辟出天体物理学新天地。


标签:伽玛暴 , 天宫二号

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