探訪宇宙中最劇烈的爆炸

07-22

2016年9月15日22時04分，中國空間實驗室「天宮二號」從酒泉衛星發射中心發射升空。作為中國第一個真正意義上的空間實驗室，「天宮二號」搭載了十多項應用載荷，將進行空間冷原子鐘、三維成像微波高度計、新型材料製備、水稻培養等多個實驗。而其中最高大上的，或許就是探索可能與黑洞形成緊密相關的，神秘的伽瑪射線暴的「天極」望遠鏡了。「天極」又名伽瑪暴偏振儀（英文名POLAR），是「天宮二號」上據說唯一中國與國際合作的實驗項目。

發射前發射台的現場照片。圖片來源：張雙南研究員

伽瑪暴：宇宙中最劇烈的爆炸

常見的電磁波，波長由長到短依次為：無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽瑪射線。

對中學物理知識有印象的你或許知道，伽瑪射線（γ射線）是電磁波中波長最短的一種，能量極高，穿透能力極強。它是放射性元素衰變釋放出的三種射線之一，屬於危險的電離輻射。伽瑪射線的來源不僅有放射性元素衰變和人工核反應，也有來自宇宙空間的宇宙射線，而宇宙中最重要的（爆發時是最大的）伽瑪射線來源就是伽瑪射線暴（Gamma-ray burst），簡稱伽瑪暴（GRB）。

顧名思義，伽瑪暴就是伽瑪射線的大爆發。這種爆發亮度極高，在有爆發發生時，其伽瑪射線輻射的亮度比宇宙中其他所有天體的伽瑪射線亮度總和還要大。這麼強的射線爆發，只要距離夠近，殺死整個星球上的生命是分分鐘的事。事實上，有科學家就認為，曾統治地球上億年的恐龍就是死於一場伽瑪暴。不過，所幸的是，目前為止天文學家觀察到的所有伽瑪暴都發生在銀河系之外。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童年時期，僅僅6億多歲。

藝術家描繪的在恆星形成區域爆發的明亮的伽瑪暴。圖片來源：Wikipedia

那麼，伽瑪暴是怎麼產生的呢？如此密集的能量從哪裡來，又是如何被轉化為輻射並發射出來的呢？目前並沒有確切的答案。雖然還不存在公認的模型來解釋這一現象，但大多數科學家都認為，它與宇宙中接近光速的相對論噴流現象有關，一些觀點認為這種噴流是在大質量恆星死亡的過程中產生的，也有人猜測是兩個緻密天體如中子星的合併產生的。這兩種過程一般都伴隨著黑洞的產生。因此，研究伽瑪暴，或許就能幫助我們揭開黑洞誕生的奧秘。

測量偏振的「小蜜蜂」

什麼是偏振？為什麼要測量伽瑪暴的偏振呢？偏振是電磁波的四項基本性質（時間，能量，方向和偏振）之一，可以簡單地理解為光在傳播過程中振動的方向（見下圖）。我們看3D電影時，屏幕上發出的光經過3D眼鏡的左右鏡片變成了圖像略有不同的兩種偏振光，經過我們左右眼的疊加處理就變成了立體的圖像。伽瑪射線同我們肉眼可見的可見光一樣，也帶有偏振信息，「天極」項目首席科學家張雙南在採訪中告訴《環球科學》記者：「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能夠實現的。」中科院高能所「百人計劃」副研究員、「天極」項目科學家熊少林解釋道：「伽瑪射線的偏振性質可幫助人們更深入地理解伽瑪暴的物理機制，包括伽瑪射線是如何被天體輻射出來的，它們從天體傳播到地球的過程中經歷了什麼等問題。因此偏振探測是伽瑪射線天文觀測中的新手段、新窗口，很可能取得重要突破。」

光的偏振示意圖。圖片來源：Wikipedia

更重要的是，關於伽瑪暴的偏振探測，目前國際上幾乎還是一片空白。由於伽瑪射線偏振探測技術較為困難，長久以來都沒有高精度的探測。目前為止，國際上只有日本發射了一個小型的偏振探測儀（名叫GAP），但它實在太小了，探測精度不夠高；而且它工作壽命短，只探測到幾個伽瑪暴。此外，科學家們也嘗試利用普通的高能望遠鏡（如美國的RHESSI，歐洲的INTEGRAL，印度的AstroSAT）結合複雜的模擬分析，進行偏振測量，但這些望遠鏡不是為偏振測量而設計，其偏振探測能力很有限，而且往往測量誤差大，測量結果不太可靠。因此，中歐合作的「天極」已經處於世界頂尖水平。

左：昆蟲的複眼；右：「天極」望遠鏡的探測器。圖片來源：科學大院

熊少林介紹，「天極」主要利用康普頓散射來測量偏振。伽瑪光子照射到探測器物質上時會發生康普頓散射，而對於具有偏振的伽瑪射線光子，康普頓散射所產生的散射光子的出射方向具有特定的分布，通過測量該分布即可反推伽瑪光子的偏振信息。「天極」用來探測伽瑪光子的單元叫做塑料閃爍體棒，每根閃爍體棒都是一個探測器，這樣的探測器足有1600根，組成一個探測器陣列。這樣的構造很像昆蟲的複眼——比如蜜蜂的複眼就是由6000多個小眼組成的。巧合的是，蜜蜂的複眼也具有偏振測量能力，雖然它只對可見光敏感，而天極測量的伽瑪射線比可見光的能量大幾萬至幾百萬倍。正因為如此，科學家親切地給天極望遠鏡取了個小名：「偏愛伽瑪暴的小蜜蜂」。

由於要搭載在「天宮二號」上工作，「天極」的重量、體積和功耗都有很嚴格的約束。在這些約束範圍內（比如重量約30公斤，尺寸約30cm），要做多達1600個探測器，這是「天極」設計建造過程中最大的難點。天極採用了一系列創新性設計，包括探測器材料、光電轉換器件、讀出電子學、機械結構以及各項機電熱措施，確保了在極為有限的資源下使探測器的性能滿足科學研究的要求。整個項目由中科院高能所牽頭，高能所也負責了電控箱和一半的「複眼」的研製，併合作編寫了在軌軟體。

「天宮二號」與「天極」

那麼，為什麼選擇了「天宮二號」呢？儘管伽瑪射線穿透能力很強，但它還是對地球厚厚的大氣層無能為力，因此，到空間中探測是最好的辦法。熊少林透露，「天極」理論上也可以做成一個獨立的衛星，但這樣造價會比較高，項目申請和研製周期也會很長。「天宮二號」是一個大型的空間實驗室，具有豐富的平台資源，為「天極」望遠鏡提供了難得的搭載機會，使天極望遠鏡項目得以順利實施。首席科學家張雙南也對「天宮二號」的平台給予了高度評價：「"天宮二號』提供了良好的實驗平台和各種資源條件，這樣』天極』實驗團隊只需要關注伽瑪暴偏振儀器的研製、數據分析和科學研究，實現了資源共享和優勢互補。」

探測器在發射前必然需要試驗和調試。雖然地面無法完全模擬空間中的環境，也沒有真實的伽瑪暴光子可供試驗，但根據張雙南與熊少林的介紹，科學家建造了各種可以部分模擬空間環境的設備，比如高真空、熱環境、輻射環境，甚至微重力環境，並利用了歐洲同步輻射裝置和上海同步輻射光源所產生的偏振光子，在上述模擬的空間環境中測試瞭望遠鏡設備的各項性能、驗證設計方案，並標定探測器性能指標，這些標定數據也將成為分析處理望遠鏡在軌運行觀測數據的重要基礎。

經過了近十年的艱苦研製，「天極」望遠鏡終於隨著「天宮二號」一起上天了。按照設計指標正常運行的話，在接下來的時間裡，它每年可以探測幾十個到上百個伽瑪暴，對於其中比較亮的伽瑪暴，還能測量其偏振性質，從而在系統性地對伽瑪暴進行高精度偏振測量邁出重要一步。

清華大學馮驊教授在介紹X射線偏振觀測時曾說：「望遠鏡和探測器可以看做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。X射線偏振探測就是這樣一條新鐵路。」而伽瑪射線偏振探測也是一樣。希望「天極」在「天宮二號」上的觀測能為了解伽瑪暴偏振性質打開第一扇窗口，幫助我們進一步了解這一宇宙中最劇烈的爆炸。