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最灵捕手"天极"望远镜 天文学的新轨道

2016年09月17日09:46 | 来源:中国科学报
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原标题:最灵捕手 “天极”望远镜

  “它就是一只‘小蜜蜂’。”中科院高能物理研究所研究员、天极伽马暴偏振探测仪项目首席科学家张双南这样形容自己团队的作品——“天极”望远镜。

  这只“小蜜蜂”不是普通的光学望远镜,它是目前国际上最灵敏的伽马射线暴偏振探测仪器,也是天宫二号空间实验室搭载的实验中唯一的国际合作项目。

  张双南告诉《中国科学报》记者,“天极”获得的数据将有助于人类理解黑洞和中子星合并、太阳极端爆发等天体现象,从而了解宇宙如何演变,检验爱因斯坦的广义相对论。

  天文学的新轨道

  电磁波按波长从长到短,分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线等。伽马射线波长最短、能量最强,其能量比可见光大几十万倍。

  100年前,爱因斯坦预测了引力波的存在。今年2月11日,人类首次直接探测到引力波。据悉,这次引力波是由两个黑洞合并后产生,其亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达地球。

  张双南表示,今后还可能观测两个中子星合并或者黑洞和中子星的合并,在产生引力波的过程中也可能产生伽马射线暴(简称“伽马暴”)。

  宇宙中的伽马暴来源于恒星坍塌时发生的剧烈爆炸,恒星中的物质以近乎光速喷出,形成射线暴,其亮度超过全宇宙其他天体的总和,辐射能量与太阳一生(百亿年)的总能量相当。

  从1973年公布发现以来,伽马暴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,伽马暴的观测研究4次被《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。

  不过,在对伽马暴的研究中,人类却碰到了钉子。宇宙天体产生的伽马射线光子具有四方面信息:到达时间、能量、方向和偏振。科学家在前三个方面都已有成熟的探测方法,但由于仪器能力有限,国际上迄今还没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。

  “伽马射线的偏振信号主要反映了产生区域的物质几何和磁场结构,有助于人类理解相对论喷流的产生机制。”张双南说,望远镜和探测器是天文学这辆火车的车头,伽马射线暴偏振探测是行进路上的一条新铁轨,通过它,火车可以看到以前没有领略过的风景,为伽马暴研究打开新窗口,而“天极”望远镜的主要科学目标正是高精度、系统性测量伽马暴的偏振性质。

  偏爱伽马暴的“小蜜蜂”

  “天极”望远镜的全称是“天极”伽马暴偏振探测仪(polar)。张双南告诉记者,“天极”代表“天体的极化”,而“极化”和“偏振”在英语中对应同一个词polarization,因此“天极”望远镜又简称polar。

  “天极”由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。其中,偏振探测器将安装于天宫二号空间实验室的舱外,背对地球指向天空,可以有效地捕捉到伽马暴爆发过程中产生的伽马光子,并测量它们的偏振性质。

  张双南之所以将“天极”望远镜称为“偏爱伽马暴的‘小蜜蜂’”,原因有二。首先,“天极”在构造上与蜜蜂的复眼有异曲同工之妙。

  人眼是无法分辨光的偏振状态的,但某些昆虫却很敏感。比如蜜蜂有三只单眼、两只复眼,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。而“天极”望远镜采用1600根塑料闪烁棒(伽马射线在该塑料材料中可诱发荧光)组成一个探测器阵列,通过测量每个伽马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。

  其次,由于伽马暴是不可预测、随机发生的天文事件,为了最大限度地捕捉伽马暴,“天极”望远镜将在允许的情况下尽量多地开机运行,犹如蜜蜂一样不知疲倦地工作。“具体成果还取决于仪器运行情况和届时天体的活动情况。”张双南说。

  据介绍,预期运行两年“天极”可以探测到大约100个伽马射线暴,虽然数量上不是最多,但“天极”能够获得高精度伽马射线偏振测量的最大样本。

  同时,张双南表示,在天宫二号运行期间,“天极”会对其他天体和爆发现象的伽马射线的偏振进行测量,如中子星和太阳耀斑产生的伽马射线,将有助于人类理解中子星的磁场结构和太阳极端爆发的现象。

  《中国科学报》(2016-09-16第2版专题)

(责编:温璐、蒋波)

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