服役多年的天宮一號(hào)見證了我國(guó)宇航技術(shù)和天文探測(cè)的發(fā)展，以及諸多太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)走入并扎根太空的步伐，如今，繼天宮一號(hào)之后，天宮二號(hào)又要出征太空，開啟我國(guó)宇航及空間實(shí)驗(yàn)相關(guān)方面的科技新征程。作為“天宮一號(hào)”的“繼承者”，天宮二號(hào)上即將進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)達(dá)到了史無(wú)前例的14項(xiàng)，堪稱中國(guó)航天史上“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)計(jì)劃，天宮二號(hào)上將開展地球觀測(cè)和空間地球系統(tǒng)科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)、空間技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用和試驗(yàn)，因此可以說(shuō)天宮二號(hào)也是中國(guó)第一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室。
　　除此之外，天宮二號(hào)還將身負(fù)神秘任務(wù)，它將攜帶國(guó)際首個(gè)專用的高靈敏度伽馬射線暴偏振測(cè)量?jī)x器——“天極”望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入太空展開科學(xué)探索實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)由中國(guó)－瑞士合作開展的“伽馬暴偏振探測(cè)項(xiàng)目”（POLAR）是中國(guó)空間天文“黑洞探針”計(jì)劃的組成部分，該計(jì)劃以黑洞等極端天體作為恒星和星系演化的探針，理解宇宙極端物理過程和規(guī)律，解答宇宙組成和演化。這表示天宮二號(hào)上將攜帶世界上伽馬暴和黑洞探測(cè)在伽瑪射線偏振探測(cè)方面能力最專業(yè)的設(shè)備，極有可能為我國(guó)天體物理學(xué)的發(fā)展帶來(lái)重要的突破。更多關(guān)于“天極”的專業(yè)資訊，我們邀請(qǐng)到了中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張雙南教授來(lái)解答。


圖1 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張雙南

伽瑪暴——恒星的“生命之花”
　　天宮二號(hào)上即將進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)達(dá)到了史無(wú)前例的14項(xiàng)，堪稱中國(guó)航天史上“最忙碌”的空間實(shí)驗(yàn)室。其攜帶的高靈敏度伽馬射線暴偏振測(cè)量?jī)x器——“天極”望遠(yuǎn)鏡，就如同小蜜蜂的“復(fù)眼”一般，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。那么什么是伽馬射線？伽瑪暴又是怎樣的物理現(xiàn)象？
　　張雙南研究員解釋說(shuō)，伽馬射線與我們所熟悉的可見光一樣，也是電磁波的一種。電磁波按波長(zhǎng)（即相鄰兩個(gè)波峰的距離）從長(zhǎng)到短，可分為無(wú)線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線等等。因此，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。伽瑪暴是伽馬射線暴的簡(jiǎn)稱，恒星在演化到最后的時(shí)候內(nèi)部將發(fā)生劇烈的爆發(fā)，而這種爆發(fā)的過程中可能伴隨著強(qiáng)烈的伽馬射線的爆發(fā)。雖然這種強(qiáng)烈的伽馬射線輻射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(yáng)一生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)烈的伽馬射線的爆發(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)它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。


圖2 伽瑪暴正面示意圖

天極——捕捉宇宙中最美的瞬間
　　從1973年公布發(fā)現(xiàn)伽瑪暴以來(lái)，關(guān)于伽瑪暴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)，伽瑪暴的觀測(cè)研究四次被美國(guó)的《科學(xué)》雜志評(píng)為年度世界十大科技成就之一。但是因?yàn)榧夹g(shù)的限制，對(duì)于伽馬射線偏振現(xiàn)象的研究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。
　　張雙南表示，關(guān)于伽瑪射線偏振的研究之所以進(jìn)展緩慢，主要是因?yàn)橘ゑR射線偏振的測(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)過伽瑪射線探測(cè)器中的多個(gè)作用過程才能夠獲取偏振的測(cè)量信息，這個(gè)在技術(shù)上的難度非常大。但是，偏振信息卻是研究伽瑪暴現(xiàn)象的重要參考信息，它對(duì)于理解伽瑪暴的產(chǎn)生原因、產(chǎn)生環(huán)境的磁場(chǎng)和幾何結(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵性作用。
　　那么作為高靈敏度伽馬射線暴偏振測(cè)量?jī)x器——“天極”望遠(yuǎn)鏡又有怎樣的獨(dú)特之處呢？張雙南解釋說(shuō)，“天極”探測(cè)器與普通的探測(cè)器或者望遠(yuǎn)鏡不同，一般的望遠(yuǎn)鏡會(huì)有一個(gè)鏡頭，鏡頭下面就是膠片或者CCD（電荷耦合器件），但是“天極”是由一個(gè)陣列的探測(cè)器共同組成，一共25個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)都有64個(gè)不同的探測(cè)器，所以“天極”是由總共1600個(gè)敏感元件組成的探測(cè)器，這樣的組合就如同自然界中蜜蜂等昆蟲的“復(fù)眼”一般，所以我們給“天極”起了一個(gè)小名叫“小蜜蜂”，“天極”望遠(yuǎn)鏡就是利用這么多不同的“眼睛”來(lái)“觀測(cè)”伽馬射線的偏振現(xiàn)象的。


圖3伽瑪暴偏振探測(cè)器—OBOX實(shí)物圖

非同凡響的探索
　　“天極”望遠(yuǎn)鏡的英文名叫做POLAR，除了具有“極化”的含義之外，它其實(shí)也是“Polarization偏振”這個(gè)單詞的縮寫，所謂天極就是天體的極化，而極化就是偏振。
　　伽瑪暴的起源及相應(yīng)的物理過程一直是天文學(xué)家們研究的最前沿課題之一。它涉及宇宙學(xué)距離上的恒星級(jí)過程，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，但是有關(guān)伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好的解決。對(duì)伽瑪暴伽瑪射線偏振的研究可以為許多伽瑪暴問題提供新的線索。但是由于儀器能力的限制，目前國(guó)際上的觀測(cè)結(jié)果還非常少，而且沒有任何一個(gè)測(cè)量結(jié)果達(dá)到了科學(xué)意義上的確認(rèn)程度。也就是嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，目前世界上還沒有對(duì)伽瑪暴伽瑪射線偏振的有效測(cè)量結(jié)果。
　　張雙南表示，作為國(guó)際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測(cè)儀器，“天極”能夠獲得高精度伽瑪射線偏振測(cè)量的最大樣本，它的主要科學(xué)目標(biāo)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“天極”可以探測(cè)到大約100個(gè)伽瑪射線暴。通過系統(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，為更好的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)。


圖4伽瑪暴偏振探測(cè)器—OBOX設(shè)計(jì)原理圖

　　伴隨著天宮二號(hào)的發(fā)射升空，“天極”望遠(yuǎn)鏡將正式展開伽瑪射線偏振性質(zhì)的測(cè)量研究工作，這將為伽瑪暴研究打開一扇新的窗口，有望取得新的進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)。作為天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室（TG-2）搭載的所有實(shí)驗(yàn)中唯一的國(guó)際合作項(xiàng)目，我們也期待著“天極”將帶領(lǐng)人類開辟出天體物理學(xué)的一片嶄新天地。

“天極”望遠(yuǎn)鏡和它的小目標(biāo)

圖文簡(jiǎn)介

天宮二號(hào)上將攜帶世界上伽馬暴和黑洞探測(cè)在伽瑪射線偏振探測(cè)方面能力最專......