“天宫二号”国际合作实验项目伽玛暴偏振探测

人们普遍认为这是一种由大质量恒星死亡引起的“长爆发”现象，通常与遥远的超新星爆炸有关。在大质量恒星迅速耗尽核燃料后，因为核心不再能继续反应产生能量，它在自身重力作用下坍塌并迅速形成黑洞。理论上，能量将以高能辐射的形式在坍缩过程中向两个极其狭窄的方向发射，形成伽玛暴。该图显示了伽马射线爆发的形成。

张双南阴影附近

“天极”望远镜设计示意图

随着天宫二号的发射，载荷实验的数量达到了前所未有的14次。因此，这座“天宫”可以被称为中国航天史上“最繁忙”的太空实验室。其中，唯一的国际合作实验项目“天极”望远镜被形象地称为“小蜜蜂”。它不是普通的光学望远镜，而是目前世界上最灵敏的伽马射线爆发偏振探测仪器。它像小蜜蜂的“复眼”一样工作，精确捕捉遥远宇宙中的突然伽马射线爆发现象。

伽玛射线暴爆发

最美的“生命之花”

只有当我们知道伽马射线时，我们才能理解伽马暴。中国科学院高能物理研究所研究员、“天体”伽马射线爆发偏振探测器项目首席科学家张双南解释说，伽马射线和可见光一样，是一种电磁波。

电磁波可以根据波长从长到短分为无线电波、微波、紫外线、x光和伽玛射线。伽马射线是波长最短、能量最高的电磁波，其能量是可见光的几十万倍。伽马射线也非常具有穿透力。地球受大气保护，各种伽马射线无法到达地面，探测只能在太空中进行。

伽马射线爆发是宇宙伽马射线爆发的简称，也是伽马射线爆发。一般来说，恒星会在生命的最后一刻猛烈爆发，可能伴随着强烈的伽马射线爆发。虽然这种伽马射线辐射长时间只持续几千秒，短时间不到百分之一秒，但它的亮度超过了整个宇宙中其他天体的总和，辐射能量远远超过太阳在其一生中(数十亿年)辐射的总能量，就像恒星最后的“生命之花”，它将在瞬间绽放一生的光辉。

此外，当两个黑洞或中子星最终融合在一起时，它们也会产生强烈的伽马射线爆发。这种爆发的能量通常比我们通常所知的超新星爆炸的总能量高几万倍，这也被认为是大爆炸后最剧烈的天体爆炸现象。

自1973年发现伽马射线暴以来，其起源和物理过程一直是天文学和物理学的活跃前沿领域。自1997年以来，伽玛射线暴的观测和研究四次被《科学》杂志评为世界十大科技成果之一。

“小蜜蜂”

对GRBs的偏好

伽马射线偏振指的是伽马射线爆发发射的伽马射线的偏振。由于伽马射线是电磁波的一种，让我们先了解电磁波的极化:如果电磁波向左传播，垂直于传播方向的平面包含振动电场和磁场，它们也是相互垂直的，其中电场的振动方向就是电磁波的极化方向。同样，伽玛暴发出的伽玛射线也是电磁波，所以伽玛射线的偏振方向就是电磁波电场的振动方向。

宇宙物体产生的伽马射线光子具有以下四个方面的信息:光子的到达时间、能量、方向和偏振。科学家们已经有了成熟的方法来检测和研究前三个方面，但是他们在最终的偏振检测中遇到了一个钉子。为了解决这个问题，由中国科学院高能物理研究所牵头，日内瓦大学、瑞士保罗·谢尔研究所和波兰核物理研究所参与研制的“天极”望远镜诞生了。

说到望远镜，人们首先想到的是普通的望远镜，但“天极”是不同的。它的全称是“天极”伽马射线爆发偏振探测器(英文为polar)。这是一种高度灵敏的探测器，专门用于测量伽马射线爆发极化。它安装在“天宫二号”空间实验室的舱外，背对地球，能够有效地捕获伽马射线爆发期间产生的伽马光子，并测量其偏振特性。

“天极”被比喻为“东方蜜蜂”，因为东方蜜蜂有3只单眼和2只复眼。每个复眼包含6300只小眼睛。这些小眼睛可以根据太阳的偏振光来确定太阳的方向。虽然“天极”和东方蜜蜂测量偏振的原理不同，但两者在“眼睛”的结构上是相似的。“天极”使用1600个塑料闪烁棒(伽马射线可以在塑料材料中诱发荧光)形成探测器阵列。通过测量与每个伽马射线光子同时作用的多个塑料闪烁棒的位置分布来获得偏振信息。

此外，由于伽马射线爆发是不可预测和随机发生的天文事件，为了最大限度地捕捉伽马射线爆发，“天极”将在条件允许时启动和运行尽可能多的次数，就像一只勤奋的蜜蜂，不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。

伽马射线爆发极化开启

天文学发展的新窗口

伽马射线爆发的起源及其相应的物理过程一直是天文学家研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙尺度上的恒星级过程，并能把天体物理学中最重要的三个层次——恒星、星系和宇宙学联系起来。尽管近十年来人们在伽玛射线暴的研究方面取得了很大的进展，但是对于了解伽玛射线暴的成因、周围环境的磁场和几何结构至关重要的极化研究，由于技术的限制，一直没有取得任何突破，甚至还是一个空白领域。张双南解释说，这主要是因为伽马射线偏振的测量与一般的测量方法大不相同。除了测量光子到达的方向、能量和时间之外，偏振测量信息可以通过伽马射线检测器中的多个过程获得，这在技术上非常困难。

作为世界上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测器，“天极”的主要科学目标是观测伽玛射线暴和测量伽玛射线暴的偏振特性。预计在运行两年后，可以探测到大约100次伽马射线爆发。虽然数量不是最大的，“天极”可以获得最大样本的高精度伽马射线偏振测量。通过系统地测量伽马射线暴的极化，伽马射线暴的辐射机制模型可以从观测中得到限制或约束，这对于更好地理解宇宙极端天体物理环境中这种最剧烈的暴现象的机制做出了重要贡献。

正如科学家所说，望远镜和探测器是天文学列车的车头。一方面，天文学家使望远镜更大、更灵敏，使火车更快；与此同时，我们也在思考如何建造新的铁路和挖掘新的隧道，以便火车可以欣赏不同的风景。伽玛射线偏振探测就是这样一条“新铁路”，而“天极”伽玛射线偏振探测器为伽玛射线研究打开了一扇新的窗口。我们期待“天宫二号”这一独特的国际合作实验项目为人类开辟一个天体物理学的新世界。