“天宫二号”空间实验之“天极”望远镜

说到望远镜，你会首先想到什么？――双筒？“牛反”？亦或是高大上的“哈勃”？

各种光学望远镜（左上：双筒望远镜；左下：天文爱好者常用的望远镜；右：哈勃空间望远镜）

我们今天给大家介绍一个更高端的，它的名字叫“天极”，即将随着“天宫二号”一起上天，去探测宇宙中的伽马射线。

什么？说到伽马射线你就蒙了？别急，医院检查身体所用的X光以及地铁机场安检用的X光就是它的同类~

不过，“天极”可不是普通的伽玛射线望远镜，它可是 探测伽玛暴所发出的伽玛射线的偏振的神器 。

科学“小白”知识  伽玛射线有多神秘？

大家知道，我们眼睛能看见的光叫做可见光，伽玛射线与可见光一样，都是电磁波。

电磁波就像湖面的水波，振荡着向前传播。

水波（图片来自网络）

电磁波按波长（即相邻两个波峰的距离）从长到短，可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等等。

因此， 伽玛射线是波长最短、能量最强的电磁波 ，它的能量比可见光大几十万倍以上。

电磁波能谱示意图（图片来自网络）

伽玛射线有很强的穿透性。

怎么说呢？如果你想有效遮挡可见光，稍厚的窗帘便能实现，而如果是屏蔽伽玛射线的话，则需要厚厚的墙、铅砖或者….地球大气层。

凡事都有两面性，我们生活的蓝色星球正因为有大气层，所以宇宙天体产生的各种伽玛射线才无法到达地面毁灭地球生物！而另一方面，也因为有大气层，所以人们要想探测宇宙产生的伽马射线和伽玛暴，就只能在太空中使用卫星实现了。

伽玛暴是什么？

恒星的“生命之花”

伽玛暴是宇宙伽玛射线暴的简称。

顾名思义，它是宇宙中突然产生的伽玛射线大爆发，就像涓涓细流突然变成滚滚大江。那么，它到底是怎样发生的呢？

在晴朗的夜空，普通人肉眼可见九千多颗星星，其中大部分是恒星――与太阳同类。有些恒星比太阳大几十倍，它们从形成至死亡的时间（寿命）比太阳短得多。

在它们一生辉煌即将结束之际，将发生剧烈爆炸，整个恒星解体，星体中心的物质将压缩形成黑洞，黑洞疯狂地吞噬周围物质…...

电影《星际穿越》中的黑洞（图片来自网络）

然而，并不是所有物质都掉入那无底的深渊，部分物质以近乎光速喷发而出，形成宇宙中最壮丽的“烟花”。

“烟花”在其内部磁场的作用下将产生极其强烈的伽玛射线辐射，持续时间长则不过几千秒，短则不足百分之一秒，然而其亮度却超过全宇宙其它天体的总和，辐射能量跟太阳一生（百亿年）辐射的总能量相当。犹如恒星最后的“生命之花”，集一生的辉煌于一瞬，化作最美的告别，它们就是伽玛暴。

伽玛暴--恒星的“生命之花”。左：伽玛暴的正面示意图；右：伽玛暴的侧面示意图 （图片均来自网络）

从1973年公布发现伽玛暴以来，关于它们的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。1997年至今，伽玛暴的观测研究曾四次被美国的《科学》杂志评为世界年度十大科技成就之一。

2013年11月24日，多国研究人员在《科学》杂志同时发表四篇论文，报告了使用在太空运行的望远镜观测到的迄今最亮的伽玛暴（编号GRB 130427A）。它发生在距离地球36亿光年，是来自狮子座的一颗质量达到太阳的20到30倍的恒星的大爆炸。在它发生时，人们在地面使用双筒望远镜也能一睹其风采。

 迄今人们观测到的最亮的伽玛暴，它爆发时比宇宙其它天体的总和还亮！左：伽玛暴发生前的天图；右：伽玛暴发生时的天图（图片来自网络）

目前，人类看到的最遥远的伽玛暴（编号GRB 090423）距离地球132亿光年，在它发生时宇宙尚处于儿童时期，仅仅6亿多岁。

经过这么多年的观测研究，现在我们比较清楚的知道，持续时间长的伽玛暴常起源于大质量恒星的塌缩，而短于2秒钟的伽玛暴很可能来自于双中子星或者黑洞-中子星系统的合并。

与引力波共舞？

没错，就是年初刷屏的引力波！

引力波是爱因斯坦在百年前的预言，人们尝试探测它已有半个世纪之久了。

2016年2月，激光干涉引力波天文台（aLIGO）宣布历史性地直接探测到引力波（编号GW 150914），使人类正式进入了引力波天文学时代…也让我们见识了全球科普大刷屏是什么样子。

引力波是如何产生的呢？

将两颗几十倍太阳质量的恒星分别压缩至10公里左右，形成密度极高的星体，即致密星。如果致密星的引力大到连光也不能从星体逃出，它们便是黑洞了。再让这两颗黑洞相互靠近、高速绕转，它们将产生强烈的引力波。引力波带走大量能量，使它们愈加靠近，直至碰在一起，剧烈合并，最终形成一颗新的黑洞。

由于两个黑洞只在即将接触及合并瞬间发出的引力波才会很强，而这个过程前后产生的引力波很弱，看上去就像引力波是突然爆发一样，因此这一现象也被称做 “引力波暴” 。

两颗致密星（黑洞或中子星）产生引力波（图片来自网络）

人们估计，两颗致密星（比如黑洞、中子星）碰撞合并的过程不仅能产生引力波暴，也很可能产生伽玛暴。

这类伽玛暴通常比恒星生命晚期爆炸产生的伽玛暴要短，但发射的伽玛射线的平均能量更高。如果将伽玛暴比作宇宙中的闪电，照耀长空、一时无两，引力波暴就是宇宙中的雷鸣，震荡寰宇、唯我独尊。

宇宙何其大，黑洞何其多，两个黑洞亲密结伴的情形（即双黑洞系统）也不少。激光干涉引力波天文台已探测到三例双黑洞系统产生的引力波暴，但遗憾的是还没有探测到对应的伽玛暴。

未来几年，“天极”将监测搜索引力波暴对应的伽玛暴。如果幸运地探测到与引力波事件关联的伽玛暴，将无疑有助于揭开这宇宙中最剧烈的闪电与雷鸣的起源之谜。

伽玛暴的偏振又是神马？

伽玛暴的偏振是指伽玛暴发射的伽玛射线的偏振。

那么，伽玛射线的偏振又是什么呢？让我们用图说话。

如下图所示，电磁波向左传播，跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场，它们也互相垂直，其中电场的振动方向即电磁波的偏振方向。

电磁波（根据网络图片修改）

同样的，伽玛暴发出的伽玛射线也是电磁波，伽玛射线的偏振就是电磁波电场的振动方向。

如何更直观地理解偏振？让我们举个例子。

假设你站在房间里，窗户上装着竖状的防盗栏杆，如果你想向屋外递出一个大的圆盘，你必须把盘子竖过来顺着栏杆方向递出去，否则会被栏杆卡住。

伽玛光子就类似这个圆盘，如果你在光路上放一个电磁波的防盗栏杆，那么只有一个偏振方向的光子才能完全透过这样的栏杆，别的偏振方向的光子透过去的强度会减少，垂直方向偏振的光子则完全不能透过，这个栏杆就是偏振滤片。

利用这个原理，我们可以带上偏振眼镜看3D电影，还可以做成摄影用的旋转偏振滤镜放置在相机镜头前使天空变得更蓝，或滤掉水面的反射光从而清晰地拍摄水中的鱼。

无偏（即偏振方向分布在各个方向）的电磁波经过偏振过滤片后得到偏振光（根据网络图片修改）

为什么要探测伽玛暴的偏振？

宇宙天体产生的伽玛射线光子具有如下四方面的信息：光子的到达时间、能量、方向以及偏振。

科学家对前三个方面都已经有成熟的办法来探测研究，然而在最后的偏振探测上碰了钉子，因为测量伽玛射线的偏振很难，迄今还没有对伽玛暴偏振进行高精度的系统性探测研究。

那么假如探测到了偏振数据，它们具体可以用来研究什么问题呢？伽玛暴的伽玛射线产生于非常接近光速的相对论喷流中，利用伽玛射线的偏振可以测量喷流的物质和磁场结构，反推产生喷流的黑洞及其周围物质的性质，并且可以用来检验统一广义相对论和量子力学的物理理论，这些都是无法在地球实验室实现的。

因此， 测量伽玛射线偏振性质将为伽玛暴研究打开一扇新的窗口，有望取得新的进展和发现。

实际上，天文学的发展向来是由观测驱动的，理论的突破往往建立在新的观测基础之上。

正如科学家所说，望远镜和探测器，是天文学这辆火车的车头。天文学家一方面把望远镜做得更大更灵敏，让火车跑得更快，同时还在思考如何修建新的铁路开凿新的隧道，让火车可以领略不同的风景。

伽玛射线偏振探测就是这样一条新铁路，科学家努力了40多年仍未完全成功，但我们已经可以预见在不久的将来，伽玛射线偏振观测将为我们带来一片全新的天空。

“天极”望远镜是什么？

“天极” 望远镜的全称是“天极”伽玛暴偏振探测仪 （英文名POLAR），是 专门用于测量伽玛暴偏振 （如果您还不知道在说啥，请复习上述基础知识）的高灵敏度探测器，是“天宫二号”空间实验室（TG-2）搭载的所有实验中唯一的国际合作项目。

“天极”望远镜2013年8月完成初样的研制，转入正样研制。2015年完成正样研制，2016年9月中旬随“天宫二号”空间实验室发射升空。

“天极”望远镜由偏振探测器 （OBOX） 和电控箱 （IBOX） 两个单机组成。 其中偏振探测器又由低压供电电路、高压供电电路、中心触发电路和探测单体组成，电控箱又由低压模块和主控单元模块组成。

“天极”望远镜的组成

“天极”望远镜的偏振探测器将安装于“天宫二号”空间实验室的舱外，背对地球指向天空，可以有效地捕捉到伽玛暴爆发过程中产生的伽玛光子，并测量它们的偏振性质。

电控箱将安装于“天宫二号”空间实验室的舱内，主要负责为偏振探测器提供低压电源、控制数据传输以及和卫星平台应用系统之间进行通讯等。

“天极”望远镜的设计原理图。左：偏振探测器；右：电控箱

“天极”望远镜的实物图。左：偏振探测器；右：电控箱

“天极”望远镜做什么？ “天极”：偏爱伽玛暴的小蜜蜂

我们知道，人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。

比如蜜蜂有五只眼：三只单眼、两只复眼，每只复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏振光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂无论外出采蜜还是回巢，都不会迷路。

左：昆虫的复眼（图片来自网络）；右：“天极”望远镜的探测器

为了测量伽玛射线的偏振，“天极”望远镜采用1600根塑料闪烁棒（可不是普通的塑料哦，伽玛射线在该材料中可诱发荧光）组成一个探测器阵列（是不是很像小蜜蜂的复眼？），通过测量每个伽玛射线光子同时作用的多根塑料闪烁棒的位置分布获取偏振信息。

虽然“天极”望远镜跟小蜜蜂测量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的构造上却有异曲同工之妙！

此外，由于伽玛暴是不可预测的随机发生的天文事件，为了最大限度地捕捉伽玛暴，“天极”望远镜将在允许的情况下尽量多地开机运行，犹如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。

“天极”：探索宇宙“天机”

伽玛暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。

它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次――恒星、星系以及宇宙学联系起来。

虽然这十几年来人们对伽玛暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。对伽玛暴伽玛射线偏振的研究可以为许多伽玛暴问题提供新的线索。

虽然对伽玛暴伽玛射线偏振的测量具有十分重要的意义，但是由于仪器能力的限制，目前国际上的观测结果还非常少，而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。

“天极”望远镜的主要科学目标是高精度且系统性地测量伽玛射线暴的偏振性质。

预期运行两年“天极”可以探测到大约100个伽玛射线暴，同时作为国际上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测仪器，“天极”能够获得高精度伽玛射线偏振测量的最大样本。

通过系统地测量伽玛射线暴的偏振，能够从观测上对伽玛射线暴的辐射机制等物理模型加以限制或约束，为更好的理解宇宙中极端天体物理环境下的这种最剧烈的爆发现象产生的机制做出重要的贡献。

“天极”望远镜是谁做的？

“天极”望远镜是中欧国际合作项目，由中国科学院高能物理研究所和瑞士日内瓦大学（UoG: University of Geneva）、瑞士保罗谢尔研究所(PSI: Paul Scherrer Institut)和波兰核物理研究所(NCBJ:National Centre for Nuclear Research)等单位共同参与。

中科院高能所具体负责：

1）“天极”望远镜方案的确定；

2）电控箱的硬、软件研制；

3）13套探测单体的研制；

4）负责牵头完成“天极”望远镜科学数据中心建设。

日内瓦大学具体负责：

1）探测器的低压供电电路研制；

2）高压供电电路的研制；

3）12套探测单体的研制；

4）负责探测器的结构和热设计。

保罗谢尔研究所具体负责：

1）探测单体的前端电子学研制；

2）中心触发模块研制。

中欧各合作单位共同完成了“天极”望远镜在轨软件，其中软件编写主要由高能所、保罗谢尔研究所和波兰核物理研究所共同完成，日内瓦大学重点参与软件的测试和验证工作。

中科院空间应用系统载荷运控中心提供了部分“天极”望远镜快视软件。