“天宫二号”:追溯宇宙中最剧烈的爆炸

头条推送科普中国头条创作与推送项目头条创作与推送2016-09-15 20:01
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作为中国第一个真正意义上的空间实验室,“天宫二号”搭载了十多项应用载荷,将进行空间冷原子钟、三维成像微波高度计、新型材料制备、水稻培养等多个实验。而其中最高大上的,或许就是探索可能与黑洞形成紧密相关的,神秘的伽玛射线暴的“天极”望远镜了。“天极”又名伽玛暴偏振仪(POLAR),是“天宫二号”上为数不多的中国与国际合作的实验项目。

伽玛暴:宇宙中最剧烈的爆炸

常见的电磁波,波长由长到短依次为:无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽玛射线。

对中学物理知识有印象的你或许知道,伽玛射线(γ射线)是电磁波中波长最短的一种,能量极高,穿透能力极强。它是放射性元素衰变释放出的三种射线之一,属于危险的电离辐射。伽玛射线的来源不仅有放射性元素衰变和人工核反应,也有来自宇宙空间的宇宙射线,而宇宙中最大的伽玛射线来源就是伽玛射线暴(Gamma-ray burst),简称伽玛暴(GRB)。

顾名思义,伽玛暴就是伽玛射线的大爆发。这种爆发亮度极高,在有爆发发生时,其伽玛射线辐射的亮度比宇宙中其他所有天体的伽玛射线亮度总和还要大。这么强的射线爆发,只要距离够近,杀死整个星球上的生命是分分钟的事。事实上,有科学家就认为,曾统治地球上亿年的恐龙就是死于一场伽玛暴。不过,所幸的是,目前为止天文学家观察到的所有伽玛暴都发生在银河系之外。目前,人类看到的最遥远的伽玛暴(编号GRB 090423)距离地球132亿光年,在它发生时宇宙尚处于童年时期,仅仅6亿多岁。

那么,伽玛暴是怎么产生的呢?如此密集的能量从哪里来,又是如何被转化为辐射并发射出来的呢?目前并没有确切的答案。虽然还不存在公认的模型来解释这一现象,但大多数科学家都认为,它与宇宙中接近光速的相对论喷流现象有关,一些观点认为这种喷流是在大质量恒星死亡的过程中产生的,也有人猜测是两个致密天体如中子星的合并产生的。这两种过程一般都伴随着黑洞的产生。因此,研究伽玛暴,或许就能帮助我们揭开黑洞诞生的奥秘。

测量偏振的“小蜜蜂”

什么是偏振?为什么要测量伽玛暴的偏振呢?偏振是电磁波的四项基本性质(时间,能量,方向和偏振)之一,可以简单地理解为光在传播过程中振动的方向(见下图)。我们看3D电影时,屏幕上发出的光经过3D眼镜的左右镜片变成了图像略有不同的两种偏振光,经过我们左右眼的叠加处理就变成了立体的图像。伽玛射线同我们肉眼可见的可见光一样,也带有偏振信息,中科院高能所研究员、“天极”项目科学家熊少林在接受《环球科学》记者采访时解释道:“伽玛射线的偏振性质可帮助人们更深入地理解伽玛暴的物理机制,包括伽玛射线是如何被天体辐射出来的,它们从天体传播到地球的过程中经历了什么等问题。因此偏振探测是伽玛射线天文观测中的新手段、新窗口,很可能取得重要突破。”“天极”项目首席科学家张双南也告诉《环球科学》记者:“利用伽玛射线的偏振可以测量喷流的物质和磁场结构,反推产生喷流的黑洞及其周围物质的性质,并且可以用来检验统一广义相对论和量子力学的物理理论,这些都是无法在地球实验室能够实现的。”

更重要的是,关于伽玛暴的偏振探测,目前国际上几乎还是一片空白。由于伽玛射线偏振探测技术较为困难,长久以来都没有高精度的探测。目前为止,国际上只有日本发射了一个小型的偏振探测仪(名叫GAP),但它实在太小了,探测精度不够高;而且它工作寿命短,只探测到几个伽玛暴。此外,科学家们也尝试利用普通的高能望远镜(如美国的RHESSI,欧洲的INTEGRAL,印度的AstroSAT)结合复杂的模拟分析,进行偏振测量,但这些望远镜不是为偏振测量而设计,其偏振探测能力很有限,而且往往测量误差大,测量结果不太可靠。因此,中欧合作的“天极”已经处于世界顶尖水平。

熊少林介绍,“天极”主要利用康普顿散射来测量偏振。伽玛光子照射到探测器物质上时会发生康普顿散射,而对于具有偏振的伽玛射线光子,康普顿散射所产生的散射光子的出射方向具有特定的分布,通过测量该分布即可反推伽玛光子的偏振信息。“天极”用来探测伽玛光子的单元叫做塑料闪烁体棒,每根闪烁体棒都是一个探测器,这样的探测器足有1600根,组成一个探测器阵列。这样的构造很像昆虫的复眼——比如蜜蜂的复眼就是由6000多个小眼组成的。巧合的是,蜜蜂的复眼也具有偏振测量能力,虽然它只对可见光敏感,而天极测量的伽玛射线比可见光的能量大几万至几百万倍。正因为如此,科学家亲切地给天极望远镜取了个小名:“偏爱伽玛暴的小蜜蜂”。

由于要搭载在“天宫二号”上工作,“天极”的重量、体积和功耗都有很严格的约束。在这些约束范围内(比如重量约30公斤,尺寸约30cm),要做多达1600个探测器,这是“天极”设计建造过程中最大的难点。天极采用了一系列创新性设计,包括探测器材料、光电转换器件、读出电子学、机械结构以及各项机电热措施,确保了在极为有限的资源下使探测器的性能满足科学研究的要求。整个项目由中科院高能所牵头,高能所也负责了电控箱和一半的“复眼”的研制,并合作编写了在轨软件。

“天宫二号”与“天极”

那么,为什么选择了“天宫二号”呢?尽管伽玛射线穿透能力很强,但它还是对地球厚厚的大气层无能为力,因此,到空间中探测是最好的办法。熊少林透露,“天极”原本可以做成一个独立的卫星,但这样造价会比较高,项目周期也会很长。“天宫二号”是一个大型的空间实验室,具有丰富的平台资源,为“天极”望远镜提供了难得的搭载机会,使天极望远镜项目得以顺利实施。首席科学家张双南也对“天宫二号”的平台给予了高度评价:“‘天宫二号’提供了良好的实验平台和各种资源条件,这样’天极’实验团队只需要关注伽玛暴偏振仪器的研制、数据分析和科学研究,实现了资源共享和优势互补。”

探测器在发射前必然需要试验和调试。虽然地面无法完全模拟空间中的环境,也没有真实的伽玛暴光子可供试验,但根据张双南与熊少林的介绍,科学家建造了各种可以部分模拟空间环境的设备,比如高真空、热环境、辐射环境,甚至微重力环境,并利用了欧洲同步辐射装置和上海同步辐射光源所产生的偏振光子,在上述模拟的空间环境中测试了望远镜设备的各项性能、验证设计方案,并标定探测器性能指标,这些标定数据也将成为分析处理望远镜在轨运行观测数据的重要基础。

经过了近十年的艰苦研制,“天极”望远镜终于随着“天宫二号”一起上天了。在接下来的时间里,按照计划,它每年可以探测几十个到上百个伽玛暴,对于其中比较亮的伽玛暴,还能测量其偏振性质,从而在系统性地对伽玛暴进行高精度偏振测量迈出重要一步。高能所的科学家指出,天文学的发展向来是由观测驱动的,理论的突破往往建立在新的观测基础之上。望远镜和探测器可以看做是天文学这辆火车的车头,天文学家一方面把望远镜做得更大更灵敏,让火车跑得更快,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,科学家努力了40多年仍未完全成功,但我们已经可以预见在不久的将来,它会带领我们进一步了解这一宇宙中最剧烈的爆炸。

作者:《环球科学》记者丁家琦

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