“最忙碌”空間實驗室，伽瑪射線探測儀助力航天工程

   一般認為是大質(zhì)量恒星死亡時產(chǎn)生的一種“長暴”現(xiàn)象，往往與遙遠的超新星爆發(fā)相關(guān)。大質(zhì)量恒星迅速耗盡核燃料后，由于核心無法再繼續(xù)反應產(chǎn)生能量，于是在自身重力作用下坍縮，迅速形成一個黑洞。在理論上，坍縮過程中能量會沿著兩個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”望遠鏡設(shè)計原理圖　　
　伴隨著“天宮二號”升空的荷載實驗項目達到了史無前例的14項，因此，這個“天上宮闕”堪稱中國航天史上“最忙碌”的空間實驗室。其中唯一國際合作實驗項目“天極”望遠鏡被形象地稱為“小蜜蜂”，它不是普通的光學望遠鏡，而是目前國際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測儀器，工作時如同小蜜蜂的“復眼”一般，精密捕捉遙遠宇宙中突然發(fā)生的伽瑪射線暴（簡稱伽瑪暴）現(xiàn)象。
　伽瑪暴綻放最美“生命之花”
　認識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”伽瑪暴偏振探測儀項目首席科學家張雙南解釋說，伽瑪射線與可見光一樣，是電磁波的一種。
　電磁波按波長從長到短，可分為無線電波、微波、紫外線、X射線和伽瑪射線等。而伽瑪射線是波長最短、能量最高的電磁波，它的能量比可見光大幾十萬倍以上。伽瑪射線還有很強的穿透性。地球有大氣層保護，各種伽瑪射線無法到達地面，探測只能在太空進行。
　伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱，是伽瑪射線大爆發(fā)。一般情況下，恒星在生命最后時刻，內(nèi)部會發(fā)生劇烈爆發(fā)，可能會伴隨著強烈的伽瑪射線爆發(fā)。雖然這種伽瑪射線輻射持續(xù)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，輻射能量比太陽一生（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，當兩個黑洞或者中子星最后并合在一起的時候，也會產(chǎn)生強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，關(guān)于它的起源及物理過程一直是天文學和物理學中活躍的前沿領(lǐng)域。1997年至今，伽瑪暴的觀測研究4次被《科學》雜志評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。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的振動方向。
　宇宙天體產(chǎn)生的伽瑪射線光子具有如下4方面的信息：光子的到達時間、能量、方向以及偏振。科學家對前三個方面都已經(jīng)有成熟的辦法來探測研究，然而在最后的偏振探測上卻碰了釘子。為解決這個問題，中國科學院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學、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”望遠鏡誕生了。
　說到望遠鏡，人們首先想的是普通望遠鏡，“天極”卻不一樣，它的全稱是“天極”伽瑪暴偏振探測儀（英文名POLAR），是專門用于測量伽瑪暴偏振的高靈敏度探測器，安裝于“天宮二號”空間實驗室的艙外，背對地球，可以有效地捕捉到伽瑪暴發(fā)生過程中產(chǎn)生的伽瑪光子，并測量它們的偏振性質(zhì)。
　“天極”被形象地稱為“小蜜蜂”，原因是小蜜蜂有3只單眼、2只復眼，每個復眼包含6300個小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏振光確定太陽的方位，雖然“天極”和小蜜蜂測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）組成一個探測器陣列，通過測量與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。
　此外，由于伽瑪暴是不可預測的隨機發(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盡量多地開機運行，猶如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地尋找宇宙中最壯麗的恒星“生命之花”。
  伽瑪暴偏振開啟天文學發(fā)展新窗口
　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恒星級過程，能夠?qū)⑻祗w物理中最重要的三個層次——恒星、星系以及宇宙學聯(lián)系起來。雖然這十幾年來人們對伽瑪暴的研究取得了長足的進步，但對于理解伽瑪暴的產(chǎn)生原因、產(chǎn)生環(huán)境周圍的磁場和幾何結(jié)構(gòu)至關(guān)重要的偏振現(xiàn)象研究卻因為技術(shù)限制，一直沒有突破性的進步，甚至說仍舊是一個空白的領(lǐng)域。張雙南解釋說，這主要是因為伽瑪射線偏振的測量與一般的測量方法非常不同，除了需要測量光子到達的方向、能量和時間以外，還需要經(jīng)過伽瑪射線探測器中的多個作用過程才能夠獲取偏振的測量信息，這在技術(shù)上的難度非常大。
　作為國際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測儀器，“天極”的主要科學目標就是觀測伽瑪射線暴并且測量伽瑪射線暴的偏振性質(zhì)。預期運行兩年，可以探測到大約100個伽瑪射線暴，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量的最大樣本。通過系統(tǒng)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)生的機制做出重要的貢獻。
　如科學家所說，望遠鏡和探測器是天文學這列火車的車頭。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(lǐng)略不同的風景。伽瑪射線偏振探測就是這樣一條“新鐵路”，而“天極”伽瑪暴偏振探測儀為伽瑪暴研究打開了一扇新的窗口，我們期待著這個“天宮二號”上唯一的國際合作實驗項目能為人類開辟出天體物理學新天地。