“最忙碌”空間實(shí)驗(yàn)室，伽瑪射線探測(cè)儀助力航天工程

   一般認(rèn)為是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)產(chǎn)生的一種“長(zhǎng)暴”現(xiàn)象，往往與遙遠(yuǎn)的超新星爆發(fā)相關(guān)。大質(zhì)量恒星迅速耗盡核燃料后，由于核心無(wú)法再繼續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生能量，于是在自身重力作用下坍縮，迅速形成一個(gè)黑洞。在理論上，坍縮過(guò)程中能量會(huì)沿著兩個(gè)極窄的方向以高能輻射的形式發(fā)射出去，這就形成了伽瑪暴。
　“天極”望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)原理圖　　
　伴隨著“天宮二號(hào)”升空的荷載實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)到了史無(wú)前例的14項(xiàng)，因此，這個(gè)“天上宮闕”堪稱中國(guó)航天史上“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)室。其中唯一國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“天極”望遠(yuǎn)鏡被形象地稱為“小蜜蜂”，它不是普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，而是目前國(guó)際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測(cè)儀器，工作時(shí)如同小蜜蜂的“復(fù)眼”一般，精密捕捉遙遠(yuǎn)宇宙中突然發(fā)生的伽瑪射線暴（簡(jiǎn)稱伽瑪暴）現(xiàn)象。
　伽瑪暴綻放最美“生命之花”
　認(rèn)識(shí)了伽瑪射線才能了解伽瑪暴。中科院高能物理研究所研究員、“天極”伽瑪暴偏振探測(cè)儀項(xiàng)目首席科學(xué)家張雙南解釋說(shuō)，伽瑪射線與可見光一樣，是電磁波的一種。
　電磁波按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短，可分為無(wú)線電波、微波、紫外線、X射線和伽瑪射線等。而伽瑪射線是波長(zhǎng)最短、能量最高的電磁波，它的能量比可見光大幾十萬(wàn)倍以上。伽瑪射線還有很強(qiáng)的穿透性。地球有大氣層保護(hù)，各種伽瑪射線無(wú)法到達(dá)地面，探測(cè)只能在太空進(jìn)行。
　伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡(jiǎn)稱，是伽瑪射線大爆發(fā)。一般情況下，恒星在生命最后時(shí)刻，內(nèi)部會(huì)發(fā)生劇烈爆發(fā)，可能會(huì)伴隨著強(qiáng)烈的伽瑪射線爆發(fā)。雖然這種伽瑪射線輻射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)則不過(guò)幾千秒，短則不足百分之一秒，然而其亮度卻超過(guò)全宇宙其它天體的總和，輻射能量比太陽(yáng)一生（百億年）輻射的總能量還多得多，猶如恒星最后的“生命之花”，將一生的輝煌在一瞬間綻放。
　另外，當(dāng)兩個(gè)黑洞或者中子星最后并合在一起的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的伽瑪射線的爆發(fā)，這種爆發(fā)的能量通常比我們一般所知道的超新星爆發(fā)的總能量要高成千上萬(wàn)倍，也被稱為是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體的爆發(fā)現(xiàn)象。
　從1973年公布發(fā)現(xiàn)伽瑪暴以來(lái)，關(guān)于它的起源及物理過(guò)程一直是天文學(xué)和物理學(xué)中活躍的前沿領(lǐng)域。1997年至今，伽瑪暴的觀測(cè)研究4次被《科學(xué)》雜志評(píng)為年度世界十大科技成就之一。
  “小蜜蜂”偏愛伽瑪暴
　伽瑪暴偏振是指伽瑪暴發(fā)射的伽瑪射線的偏振。由于伽瑪射線是電磁波的一種，那么我們先來(lái)了解一下電磁波的偏振：電磁波若向左傳播，跟傳播方向垂直的平面內(nèi)包含振動(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，它們也互相垂直，其中電場(chǎng)的振動(dòng)方向即電磁波的偏振方向。同理，伽瑪暴發(fā)射的伽瑪射線也是電磁波，所以伽瑪射線的偏振就是電磁波電場(chǎng)的振動(dòng)方向。
　宇宙天體產(chǎn)生的伽瑪射線光子具有如下4方面的信息：光子的到達(dá)時(shí)間、能量、方向以及偏振?？茖W(xué)家對(duì)前三個(gè)方面都已經(jīng)有成熟的辦法來(lái)探測(cè)研究，然而在最后的偏振探測(cè)上卻碰了釘子。為解決這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位參加研制的“天極”望遠(yuǎn)鏡誕生了。
　說(shuō)到望遠(yuǎn)鏡，人們首先想的是普通望遠(yuǎn)鏡，“天極”卻不一樣，它的全稱是“天極”伽瑪暴偏振探測(cè)儀（英文名POLAR），是專門用于測(cè)量伽瑪暴偏振的高靈敏度探測(cè)器，安裝于“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室的艙外，背對(duì)地球，可以有效地捕捉到伽瑪暴發(fā)生過(guò)程中產(chǎn)生的伽瑪光子，并測(cè)量它們的偏振性質(zhì)。
　“天極”被形象地稱為“小蜜蜂”，原因是小蜜蜂有3只單眼、2只復(fù)眼，每個(gè)復(fù)眼包含6300個(gè)小眼，這些小眼能根據(jù)太陽(yáng)的偏振光確定太陽(yáng)的方位，雖然“天極”和小蜜蜂測(cè)量偏振的原理不相同，但二者在“眼睛”的構(gòu)造上卻有異曲同工之妙。“天極”采用1600根塑料閃爍棒（伽瑪射線在該塑料材料中可誘發(fā)熒光）組成一個(gè)探測(cè)器陣列，通過(guò)測(cè)量與每個(gè)伽瑪射線光子同時(shí)作用的多根塑料閃爍棒的位置分布獲取偏振信息。
　此外，由于伽瑪暴是不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)發(fā)生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽瑪暴，“天極”在條件允許的情況下會(huì)盡量多地開機(jī)運(yùn)行，猶如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地尋找宇宙中最壯麗的恒星“生命之花”。
  伽瑪暴偏振開啟天文學(xué)發(fā)展新窗口
　伽瑪暴的起源及相應(yīng)的物理過(guò)程一直是天文學(xué)家們研究的最前沿課題之一。它涉及宇宙學(xué)尺度上的恒星級(jí)過(guò)程，能夠?qū)⑻祗w物理中最重要的三個(gè)層次——恒星、星系以及宇宙學(xué)聯(lián)系起來(lái)。雖然這十幾年來(lái)人們對(duì)伽瑪暴的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但對(duì)于理解伽瑪暴的產(chǎn)生原因、產(chǎn)生環(huán)境周圍的磁場(chǎng)和幾何結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的偏振現(xiàn)象研究卻因?yàn)榧夹g(shù)限制，一直沒有突破性的進(jìn)步，甚至說(shuō)仍舊是一個(gè)空白的領(lǐng)域。張雙南解釋說(shuō)，這主要是因?yàn)橘が斏渚€偏振的測(cè)量與一般的測(cè)量方法非常不同，除了需要測(cè)量光子到達(dá)的方向、能量和時(shí)間以外，還需要經(jīng)過(guò)伽瑪射線探測(cè)器中的多個(gè)作用過(guò)程才能夠獲取偏振的測(cè)量信息，這在技術(shù)上的難度非常大。
　作為國(guó)際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測(cè)儀器，“天極”的主要科學(xué)目標(biāo)就是觀測(cè)伽瑪射線暴并且測(cè)量伽瑪射線暴的偏振性質(zhì)。預(yù)期運(yùn)行兩年，可以探測(cè)到大約100個(gè)伽瑪射線暴，雖然數(shù)量上不是最多，但“天極”能夠獲得高精度伽瑪射線偏振測(cè)量的最大樣本。通過(guò)系統(tǒng)地測(cè)量伽瑪射線暴的偏振，能夠從觀測(cè)上對(duì)伽瑪射線暴的輻射機(jī)制模型加以限制或約束，為更好地理解宇宙中極端天體物理環(huán)境下的這種最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)制做出重要的貢獻(xiàn)。
　如科學(xué)家所說(shuō)，望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)器是天文學(xué)這列火車的車頭。天文學(xué)家一方面把望遠(yuǎn)鏡做得更大更靈敏，讓火車更快；同時(shí)還在思考如何修建新的鐵路、開鑿新的隧道，讓火車可以領(lǐng)略不同的風(fēng)景。伽瑪射線偏振探測(cè)就是這樣一條“新鐵路”，而“天極”伽瑪暴偏振探測(cè)儀為伽瑪暴研究打開了一扇新的窗口，我們期待著這個(gè)“天宮二號(hào)”上唯一的國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能為人類開辟出天體物理學(xué)新天地。