不久前，一只飛進(jìn)宇宙的“小蜜蜂”——“天極”望遠鏡，完成了自己的重要使命——伽馬射線(xiàn)暴瞬時(shí)輻射的高精度偏振探測。這一成果于2019年1月14日在線(xiàn)發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature · Astronomy）雜志上。
“天極”望遠鏡在軌搭載在天宮二號空間實(shí)驗室藝術(shù)效果圖（根據星上相機拍攝的實(shí)物照片藝術(shù)加工而成）。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所提供
“小蜜蜂”的出色表現，讓科學(xué)家們拿到了迄今為止伽馬射線(xiàn)暴偏振的最佳觀(guān)測結果。這些成果將有利于幫助人們更好地理解宇宙中一些基本天體物理過(guò)程（如黑洞的形成，極端相對論噴流的產(chǎn)生等），為科學(xué)家們回答對宇宙中極端物理環(huán)境和條件下的基礎科學(xué)問(wèn)題提供重要線(xiàn)索。
來(lái)自宇宙的酷炫特效——伽馬暴
伽馬射線(xiàn)暴（簡(jiǎn)稱(chēng)伽馬暴）是自宇宙大爆炸以來(lái)，人類(lèi)所能探測到的宇宙中最強烈的天體爆發(fā)現象。它爆發(fā)時(shí)的亮度極高，比宇宙中其他天體的伽馬射線(xiàn)亮度總和還要大，持續時(shí)間一般在0.1-1000秒，輻射能量主要集中在0.1-100兆電子伏。
伽馬暴現象的模擬圖。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所提供
從1973年公布發(fā)現伽馬暴以來(lái)，關(guān)于它們的研究一直是天文學(xué)和物理學(xué)中一個(gè)極其活躍的前沿領(lǐng)域。自1997年以來(lái)，伽馬暴的觀(guān)測研究四次被美國的《科學(xué)》雜志評為年度世界十大科技成就之一。
目前，人類(lèi)看到的最遙遠的伽馬暴（編號GRB 090423）距離地球132億光年，在它發(fā)生時(shí)宇宙尚處于兒童時(shí)期，僅僅6億多歲。
伽馬暴是如何產(chǎn)生的呢？一般認為有兩種模式：一種模式是這種爆發(fā)是在大質(zhì)量恒星死亡的過(guò)程中所產(chǎn)生的，另外一種模式是兩個(gè)致密天體如中子星或者一個(gè)中子星和一個(gè)黑洞的并合所產(chǎn)生的。這兩種過(guò)程一般都伴隨著(zhù)黑洞的誕生。
兩個(gè)中子星的并合產(chǎn)生伽馬暴的模擬圖。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所提供
為什么要測量伽馬暴偏振？
偏振現象是光的一種特性，當光的電場(chǎng)矢量在垂直于光傳播方向的平面內趨于某些方向振動(dòng)時(shí)就會(huì )出現偏振。那么根據電場(chǎng)矢量振動(dòng)方向趨向性的情況，可將偏振光分為完全偏振光、部分偏振光以及非偏振光三種。
偏振現象的示意圖
其中完全偏振光又分為線(xiàn)偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光三種。部分偏振光是非偏振光和完全偏振光的疊加。自然光即是一種非偏振光。
蜜蜂的復眼能根據太陽(yáng)的偏光確定太陽(yáng)的方位。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所提供
那么，伽馬暴偏振測量的意義是什么呢？從伽馬暴現象的發(fā)現至今已長(cháng)達半個(gè)世紀，但對其爆發(fā)本質(zhì)的研究目前還沒(méi)有一個(gè)定論。對于伽馬暴的爆發(fā)機制，科學(xué)家提出了多種理論模型。不同理論模型間對于伽馬暴爆發(fā)期間產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)的偏振狀態(tài)有所差別。
因此，采用測量偏振的方法，可以對伽馬暴的爆發(fā)機制進(jìn)行研究，從而對爆發(fā)的物理過(guò)程、輻射區結構以及周?chē)艌?chǎng)的結構進(jìn)行確認。
測好伽馬暴偏振，不是輕松事
宇宙天體產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)光子具有以下四個(gè)方面的信息：光子的到達時(shí)間、能量、方向以及偏振。
目前，科學(xué)家對前三個(gè)方面都已經(jīng)有成熟的方法進(jìn)行探測研究，然而在最后的偏振探測上卻遇到了困難。而且是非常大的困難——首先，要捕捉到伽馬暴本身就不容易。由于伽馬射線(xiàn)在進(jìn)入大氣層時(shí)會(huì )發(fā)生反應，從而在地面無(wú)法測量伽馬暴產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)，必須在外太空實(shí)現對伽馬暴的觀(guān)測，這就需要合適的衛星平臺。其次，要研制有效面積大、靈敏度高的偏振探測器技術(shù)上比較困難。
在“天極”望遠鏡之前已經(jīng)有過(guò)其他衛星嘗試測量伽馬暴偏振，但大部分都因為探測儀器自身的系統誤差大而無(wú)法給出有效的偏振測量結果，而少數系統誤差較小的實(shí)驗的靈敏度又比較差，也沒(méi)有給出具有統計意義的高精度伽馬射線(xiàn)暴偏振測量結果。
縱觀(guān)伽馬暴的研究歷史，從上世紀60年代發(fā)現至今已有約半個(gè)世紀，在過(guò)去近25年當中，共有5個(gè)空間探測實(shí)驗項目共計發(fā)表了約10個(gè)伽馬射線(xiàn)暴的伽馬射線(xiàn)偏振探測結果。CGRO、RHESSI以及INTEGRAL等盡管報道了幾例伽馬暴的偏振測量結果，但都由于探測器本身偏振測量系統誤差較大、測量結果粗糙，無(wú)法對伽馬暴輻射機制模型進(jìn)行任何約束或限制。
后來(lái)的GAP和COSI實(shí)驗在偏振測量系統誤差上得到了改善，但是由于有效面積比較小，偏振測量的靈敏度仍然較差，所以得到伽馬暴的偏振測量結果也很少，而且精度也不高。
不負眾望，
“天極”望遠鏡脫穎而出
與之前的探測工作相比，“天極”望遠鏡的表現令人倍感欣喜。
“天極”望遠鏡在軌探測并且確認了55個(gè)伽馬射線(xiàn)暴，對其中5個(gè)伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行了高精度的偏振測量，這是目前為止國際上最大的高精度伽馬暴偏振測量樣本，首次發(fā)現了伽馬射線(xiàn)暴在爆發(fā)期間的平均偏振度較低（平均約為10%）的結論，并且首次發(fā)現了單峰結構的伽馬暴偏振角的演化現象。
天宮二號“天極”望遠鏡在軌觀(guān)測到的5個(gè)伽馬暴的光變曲線(xiàn)。其中a、b、c、d、e分別對應于編號是161218A、170101A、170127C、170206A和170114A的伽馬暴。f對應的是編號為170114A的伽馬暴，但對其分析過(guò)程中所用到的信號進(jìn)行了詳細劃分，從而研究其偏振演化現象。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所
這些新的觀(guān)測結果表明，產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)的極端相對論噴流內部的演化可能導致了偏振角的快速演化，使得觀(guān)測到的伽馬射線(xiàn)暴的平均偏振度較低。該發(fā)現與現有的主要伽馬射線(xiàn)暴模型的預言明顯不一致，表明極端相對論噴流的結構及其內部磁場(chǎng)的位型比以往所理解的更加復雜。
這是伽馬射線(xiàn)暴現象自上世紀70年代發(fā)現以來(lái)所得到的最好的偏振觀(guān)測結果，有利于更好的理解黑洞的形成和極端相對論噴流的產(chǎn)生等基本天體物理過(guò)程，為下一代空間高能天文觀(guān)測儀器的發(fā)展和空間天文基礎物理前沿研究奠定了堅實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎，并且提出了新的重要研究課題。
在“天極”望遠鏡的觀(guān)測成果發(fā)布之前，人們都還還沒(méi)有對伽馬暴偏振進(jìn)行過(guò)高精度的系統性探測研究?？梢哉f(shuō)，天宮二號“天極”望遠鏡實(shí)驗為伽馬暴的研究打開(kāi)了一扇新的窗口，未來(lái)有望在該研究領(lǐng)域取得更多新的進(jìn)展和發(fā)現。
“小蜜蜂”因何如此優(yōu)秀？
“天極”（POLAR）望遠鏡全稱(chēng)為伽馬暴偏振探測儀，它是天宮二號空間實(shí)驗室上唯一一臺搭載在艙外的中歐國際合作實(shí)驗項目。
“天極”望遠鏡結構上采用1600個(gè)探測單元組成40×40的探測器陣列。這個(gè)結構和蜜蜂的復眼非常相似，因此“天極”望遠鏡也獲得了一個(gè)可愛(ài)的昵稱(chēng)，叫做“小蜜蜂”。它正是是利用這些敏銳的“眼睛”去探測來(lái)自宇宙深處的伽馬暴。
“小蜜蜂”捕獲伽馬暴的情景（示意圖）。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所
探測器材料采用密度低、原子序數低、機械和化學(xué)性能穩定的有機塑料閃爍體，有利于伽馬光子與探測器之間發(fā)生康普頓散射相互作用，從而更加有效地測量伽馬光子的偏振信息。
“天極”望遠鏡系統組成。左圖：偏振探測器OBOX右圖：電控箱IBOX。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所
“天極”望遠鏡系統組成。探測器單內部組成，“天極”望遠鏡內部共有25個(gè)這樣的探測器單體。圖片來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所
“天極”望遠鏡的幕后英雄，是天宮二號“天極”望遠鏡載荷分系統總體單位——中國科學(xué)院高能物理研究所。從二十世紀70年代末開(kāi)始進(jìn)行空間探測實(shí)驗，曾開(kāi)展過(guò)多次高空科學(xué)氣球和球載硬X射線(xiàn)望遠鏡實(shí)驗，主持了多項空間探測實(shí)驗儀器的研制，負責和參加多個(gè)新的空間高能天文項目。
中國科學(xué)院高能物理研究所。拍攝者：Yuki
此次，高能所“天極”望遠鏡團隊攜手歐洲科學(xué)家一起攻堅克難，歷經(jīng)十余年的技術(shù)攻關(guān)和科學(xué)研究，最終攻克了伽馬暴偏振探測的難題，完成了在空間對伽馬暴進(jìn)行的高精度、系統性的偏振觀(guān)測工作，在該研究領(lǐng)域取得了前所未有的進(jìn)展，獲得了國際同行的高度評價(jià)。
接下來(lái)，他們還將進(jìn)一步擴大國際合作，共同解讀“天極”望遠鏡提出的關(guān)于伽馬射線(xiàn)暴的全新科學(xué)問(wèn)題，為最終解決黑洞的形成和極端相對論噴流產(chǎn)生做出關(guān)鍵性貢獻。
最后，讓我們一起來(lái)圍觀(guān)優(yōu)秀的“小蜜蜂”吧！
拓展閱讀
點(diǎn)擊圖片直達原文
題圖來(lái)源：中國科學(xué)院高能物理研究所提供
聯(lián)系客服
