「天宮二號」科普來了(七):「天極」望遠鏡:揭開恆星「生命之花...

　　說到望遠鏡，你會首先想到什麼？——雙筒？「牛反」？亦或是高大上的「哈勃」？

各種光學望遠鏡（左上：雙筒望遠鏡；左下：天文愛好者常用的望遠鏡；右：哈勃空間望遠鏡）

　　我們今天給大家介紹一個更高端的，它的名字叫「天極」，即將隨著「天宮二號」一起上天，去探測宇宙中的伽馬射線。

　　什麼？說到伽馬射線你就蒙了？別急，醫院檢查身體所用的X光以及地鐵機場安檢用的X光就是它的同類~

　　不過，「天極」可不是普通的伽瑪射線望遠鏡，它可是探測伽瑪暴所發出的伽瑪射線的偏振的神器。

科學「小白」知識向

　　伽瑪射線有多神秘？

　　大家知道，我們眼睛能看見的光叫做可見光，伽瑪射線與可見光一樣，都是電磁波。

　　電磁波就像湖面的水波，振蕩著向前傳播。

水波（圖片來自網絡）

　　電磁波按波長（即相鄰兩個波峰的距離）從長到短，可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線等等。

　　因此，伽瑪射線是波長最短、能量最強的電磁波，它的能量比可見光大幾十萬倍以上。

電磁波能譜示意圖（圖片來自網絡）

　　伽瑪射線有很強的穿透性。

　　怎麼說呢？如果你想有效遮擋可見光，稍厚的窗簾便能實現，而如果是屏蔽伽瑪射線的話，則需要厚厚的牆、鉛磚或者….地球大氣層。

　　凡事都有兩面性，我們生活的藍色星球正因為有大氣層，所以宇宙天體產生的各種伽瑪射線才無法到達地面毀滅地球生物！而另一方面，也因為有大氣層，所以人們要想探測宇宙產生的伽馬射線和伽瑪暴，就只能在太空中使用衛星實現了。

伽瑪暴是什麼？

　　恆星的「生命之花」

　　伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱。

　　顧名思義，它是宇宙中突然產生的伽瑪射線大爆發，就像涓涓細流突然變成滾滾大江。那麼，它到底是怎樣發生的呢？

　　在晴朗的夜空，普通人肉眼可見九千多顆星星，其中大部分是恆星——與太陽同類。有些恆星比太陽大幾十倍，它們從形成至死亡的時間（壽命）比太陽短得多。

　　在它們一生輝煌即將結束之際，將發生劇烈爆炸，整個恆星解體，星體中心的物質將壓縮形成黑洞，黑洞瘋狂地吞噬周圍物質…...

電影《星際穿越》中的黑洞（圖片來自網絡）

　　然而，並不是所有物質都掉入那無底的深淵，部分物質以近乎光速噴發而出，形成宇宙中最壯麗的「煙花」。

　　「煙花」在其內部磁場的作用下將產生極其強烈的伽瑪射線輻射，持續時間長則不過幾千秒，短則不足百分之一秒，然而其亮度卻超過全宇宙其它天體的總和，輻射能量跟太陽一生（百億年）輻射的總能量相當。猶如恆星最後的「生命之花」，集一生的輝煌於一瞬，化作最美的告別，它們就是伽瑪暴。

伽瑪暴--恆星的「生命之花」。左：伽瑪暴的正面示意圖；右：伽瑪暴的側面示意圖 （圖片均來自網絡）

　　從1973年公布發現伽瑪暴以來，關於它們的研究一直是天文學和物理學中一個極其活躍的前沿領域。1997年至今，伽瑪暴的觀測研究曾四次被美國的《科學》雜誌評為世界年度十大科技成就之一。

　　2013年11月24日，多國研究人員在《科學》雜誌同時發表四篇論文，報告了使用在太空運行的望遠鏡觀測到的迄今最亮的伽瑪暴（編號GRB 130427A）。它發生在距離地球36億光年，是來自獅子座的一顆質量達到太陽的20到30倍的恆星的大爆炸。在它發生時，人們在地面使用雙筒望遠鏡也能一睹其風採。

迄今人們觀測到的最亮的伽瑪暴，它爆發時比宇宙其它天體的總和還亮！左：伽瑪暴發生前的天圖；右：伽瑪暴發生時的天圖（圖片來自網絡）

　　目前，人類看到的最遙遠的伽瑪暴（編號GRB 090423）距離地球132億光年，在它發生時宇宙尚處於兒童時期，僅僅6億多歲。

　　經過這麼多年的觀測研究，現在我們比較清楚的知道，持續時間長的伽瑪暴常起源於大質量恆星的塌縮，而短於2秒鐘的伽瑪暴很可能來自於雙中子星或者黑洞-中子星系統的合併。

　　與引力波共舞？

　　沒錯，就是年初刷屏的引力波！

　　引力波是愛因斯坦在百年前的預言，人們嘗試探測它已有半個世紀之久了。

　　2016年2月，雷射幹涉引力波天文臺（aLIGO）宣布歷史性地直接探測到引力波（編號GW 150914），使人類正式進入了引力波天文學時代…也讓我們見識了全球科普大刷屏是什麼樣子。

　　引力波是如何產生的呢？

　　將兩顆幾十倍太陽質量的恆星分別壓縮至10公裡左右，形成密度極高的星體，即緻密星。如果緻密星的引力大到連光也不能從星體逃出，它們便是黑洞了。再讓這兩顆黑洞相互靠近、高速繞轉，它們將產生強烈的引力波。引力波帶走大量能量，使它們愈加靠近，直至碰在一起，劇烈合併，最終形成一顆新的黑洞。

　　由於兩個黑洞只在即將接觸及合併瞬間發出的引力波才會很強，而這個過程前後產生的引力波很弱，看上去就像引力波是突然爆發一樣，因此這一現象也被稱做「引力波暴」。

兩顆緻密星（黑洞或中子星）產生引力波（圖片來自網絡）

　　人們估計，兩顆緻密星（比如黑洞、中子星）碰撞合併的過程不僅能產生引力波暴，也很可能產生伽瑪暴。

　　這類伽瑪暴通常比恆星生命晚期爆炸產生的伽瑪暴要短，但發射的伽瑪射線的平均能量更高。如果將伽瑪暴比作宇宙中的閃電，照耀長空、一時無兩，引力波暴就是宇宙中的雷鳴，震蕩寰宇、唯我獨尊。

　　宇宙何其大，黑洞何其多，兩個黑洞親密結伴的情形（即雙黑洞系統）也不少。雷射幹涉引力波天文臺已探測到三例雙黑洞系統產生的引力波暴，但遺憾的是還沒有探測到對應的伽瑪暴。

　　未來幾年，「天極」將監測搜索引力波暴對應的伽瑪暴。如果幸運地探測到與引力波事件關聯的伽瑪暴，將無疑有助於揭開這宇宙中最劇烈的閃電與雷鳴的起源之謎。

伽瑪暴的偏振又是神馬？

　　伽瑪暴的偏振是指伽瑪暴發射的伽瑪射線的偏振。

　　那麼，伽瑪射線的偏振又是什麼呢？讓我們用圖說話。

　　如下圖所示，電磁波向左傳播，跟傳播方向垂直的平面內包含振動的電場和磁場，它們也互相垂直，其中電場的振動方向即電磁波的偏振方向。

電磁波（根據網絡圖片修改）

　　同樣的，伽瑪暴發出的伽瑪射線也是電磁波，伽瑪射線的偏振就是電磁波電場的振動方向。

　　如何更直觀地理解偏振？讓我們舉個例子。

　　假設你站在房間裡，窗戶上裝著豎狀的防盜欄杆，如果你想向屋外遞出一個大的圓盤，你必須把盤子豎過來順著欄杆方向遞出去，否則會被欄杆卡住。

　　伽瑪光子就類似這個圓盤，如果你在光路上放一個電磁波的防盜欄杆，那麼只有一個偏振方向的光子才能完全透過這樣的欄杆，別的偏振方向的光子透過去的強度會減少，垂直方向偏振的光子則完全不能透過，這個欄杆就是偏振濾片。

　　利用這個原理，我們可以帶上偏振眼鏡看3D電影，還可以做成攝影用的旋轉偏振濾鏡放置在相機鏡頭前使天空變得更藍，或濾掉水面的反射光從而清晰地拍攝水中的魚。

無偏（即偏振方向分布在各個方向）的電磁波經過偏振過濾片後得到偏振光（根據網絡圖片修改）

為什麼要探測伽瑪暴的偏振？

　　宇宙天體產生的伽瑪射線光子具有如下四方面的信息：光子的到達時間、能量、方向以及偏振。

　　科學家對前三個方面都已經有成熟的辦法來探測研究，然而在最後的偏振探測上碰了釘子，因為測量伽瑪射線的偏振很難，迄今還沒有對伽瑪暴偏振進行高精度的系統性探測研究。

　　那麼假如探測到了偏振數據，它們具體可以用來研究什麼問題呢？伽瑪暴的伽瑪射線產生於非常接近光速的相對論噴流中，利用伽瑪射線的偏振可以測量噴流的物質和磁場結構，反推產生噴流的黑洞及其周圍物質的性質，並且可以用來檢驗統一廣義相對論和量子力學的物理理論，這些都是無法在地球實驗室實現的。

　　因此，測量伽瑪射線偏振性質將為伽瑪暴研究打開一扇新的窗口，有望取得新的進展和發現。

　　實際上，天文學的發展向來是由觀測驅動的，理論的突破往往建立在新的觀測基礎之上。

　　正如科學家所說，望遠鏡和探測器，是天文學這輛火車的車頭。天文學家一方面把望遠鏡做得更大更靈敏，讓火車跑得更快，同時還在思考如何修建新的鐵路開鑿新的隧道，讓火車可以領略不同的風景。

　　伽瑪射線偏振探測就是這樣一條新鐵路，科學家努力了40多年仍未完全成功，但我們已經可以預見在不久的將來，伽瑪射線偏振觀測將為我們帶來一片全新的天空。

「天極」望遠鏡是什麼？

　　「天極」望遠鏡的全稱是「天極」伽瑪暴偏振探測儀（英文名POLAR），是專門用於測量伽瑪暴偏振（如果您還不知道在說啥，請複習上述基礎知識）的高靈敏度探測器，是「天宮二號」空間實驗室（TG-2）搭載的所有實驗中唯一的國際合作項目。

　　「天極」望遠鏡2013年8月完成初樣的研製，轉入正樣研製。2015年完成正樣研製，2016年9月中旬隨「天宮二號」空間實驗室發射升空。

　　「天極」望遠鏡由偏振探測器（OBOX）和電控箱（IBOX）兩個單機組成。其中偏振探測器又由低壓供電電路、高壓供電電路、中心觸發電路和探測單體組成，電控箱又由低壓模塊和主控單元模塊組成。

「天極」望遠鏡的組成

　　「天極」望遠鏡的偏振探測器將安裝於「天宮二號」空間實驗室的艙外，背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽瑪暴爆發過程中產生的伽瑪光子，並測量它們的偏振性質。

　　電控箱將安裝於「天宮二號」空間實驗室的艙內，主要負責為偏振探測器提供低壓電源、控制數據傳輸以及和衛星平臺應用系統之間進行通訊等。

「天極」望遠鏡的設計原理圖。左：偏振探測器；右：電控箱

「天極」望遠鏡的實物圖。左：偏振探測器；右：電控箱

「天極」望遠鏡做什麼？「天極」：偏愛伽瑪暴的小蜜蜂

　　我們知道，人的眼睛對光的偏振狀態是不能分辨的，但某些昆蟲的眼睛對偏振卻很敏感。

　　比如蜜蜂有五隻眼：三隻單眼、兩隻複眼，每隻複眼包含有6300個小眼，這些小眼能根據太陽的偏振光確定太陽的方位，然後以太陽為定向標來判斷方向，所以蜜蜂無論外出採蜜還是回巢，都不會迷路。

左：昆蟲的複眼（圖片來自網絡）；右：「天極」望遠鏡的探測器

　　為了測量伽瑪射線的偏振，「天極」望遠鏡採用1600根塑料閃爍棒（可不是普通的塑料哦，伽瑪射線在該材料中可誘發螢光）組成一個探測器陣列（是不是很像小蜜蜂的複眼？），通過測量每個伽瑪射線光子同時作用的多根塑料閃爍棒的位置分布獲取偏振信息。

　　雖然「天極」望遠鏡跟小蜜蜂測量偏振的原理並不相同，但二者在「眼睛」的構造上卻有異曲同工之妙！

　　此外，由於伽瑪暴是不可預測的隨機發生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽瑪暴，「天極」望遠鏡將在允許的情況下儘量多地開機運行，猶如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地尋找宇宙中最壯麗的恆星「生命之花」。

「天極」：探索宇宙「天機」

　　伽瑪暴的起源及相應的物理過程一直是天文學家們研究的最前沿課題之一。

　　它涉及宇宙學尺度上的恆星級過程，能夠將天體物理中最重要的三個層次——恆星、星系以及宇宙學聯繫起來。

　　雖然這十幾年來人們對伽瑪暴的研究取得了長足的進步，但是有關伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好的解決。對伽瑪暴伽瑪射線偏振的研究可以為許多伽瑪暴問題提供新的線索。

　　雖然對伽瑪暴伽瑪射線偏振的測量具有十分重要的意義，但是由於儀器能力的限制，目前國際上的觀測結果還非常少，而且沒有任何一個測量結果達到了科學意義上的確認程度。

　　「天極」望遠鏡的主要科學目標是高精度且系統性地測量伽瑪射線暴的偏振性質。

　　預期運行兩年「天極」可以探測到大約100個伽瑪射線暴，同時作為國際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測儀器，「天極」能夠獲得高精度伽瑪射線偏振測量的最大樣本。

　　通過系統地測量伽瑪射線暴的偏振，能夠從觀測上對伽瑪射線暴的輻射機制等物理模型加以限制或約束，為更好的理解宇宙中極端天體物理環境下的這種最劇烈的爆發現象產生的機製做出重要的貢獻。

「天極」望遠鏡是誰做的？

　　「天極」望遠鏡是中歐國際合作項目，由中國科學院高能物理研究所和瑞士日內瓦大學（UoG: University of Geneva）、瑞士保羅謝爾研究所(PSI: Paul Scherrer Institut)和波蘭核物理研究所(NCBJ:National Centre for Nuclear Research)等單位共同參與。

　　中科院高能所具體負責：

　　1）「天極」望遠鏡方案的確定；

　　2）電控箱的硬、軟體研製；

　　3）13套探測單體的研製；

　　4）負責牽頭完成「天極」望遠鏡科學數據中心建設。

　　日內瓦大學具體負責：

　　1）探測器的低壓供電電路研製；

　　2）高壓供電電路的研製；

　　3）12套探測單體的研製；

　　4）負責探測器的結構和熱設計。

　　保羅謝爾研究所具體負責：

　　1）探測單體的前端電子學研製；

　　2）中心觸發模塊研製。

　　中歐各合作單位共同完成了「天極」望遠鏡在軌軟體，其中軟體編寫主要由高能所、保羅謝爾研究所和波蘭核物理研究所共同完成，日內瓦大學重點參與軟體的測試和驗證工作。

　　中科院空間應用系統載荷運控中心提供了部分「天極」望遠鏡快視軟體。

（部分內容參考公開資料）