2289
需用時?04:34
天宮里的迷你天文臺:伽馬暴偏振望遠鏡

都知道地球很危險,還是移民火星吧;火星也免不了被太陽烤熟,早日前往比鄰星才是正道;比鄰星也會被參宿四炸到,到時候得去開普勒452b;開普勒452b還是會挨隕石,躲開恒星系才能幸免……

但是有些危險靠傻乎乎地跑是跑不掉的。宇宙中有一種災難,雖說極為罕見,但能量太大,方向又太集中,運氣足夠糟糕的話,幾千幾萬光年之外一樣炸到你。而躲開它的方法,不能是瞎跑一氣。我們必須知道它是怎么產生的,有什么特征,預測到它的到來,才能找到辦法應對——

而這,就是剛剛升空的“天宮二號”任務的一個小目標。

發射架上的天宮2號。攝影:孫浩

天宮的任務

?“天宮二號”是真正意義上的空間實驗室,搭載了十幾個用來開展空間科學或者其他新技術實驗的儀器設備,從“燒造”新材料的“太空爐子”,到“種瓜種菜”的“太空大棚”;有可以自動控制的,也有需要航天員手動操作的…… 有了這座新宮,我們的航天員就有了自己飛在天上的實驗室,以及,一個迷你天文臺!

架設在新宮迷你天文臺里的望遠鏡可不一般,它叫“天極”,是一架探測伽馬射線的望遠鏡,而且不是普通的伽馬射線望遠鏡,天極是一架“伽馬暴偏振望遠鏡”。

而伽馬暴正是開篇所說的那種災難。這不是什么迫在眉睫的危機,短期內我們被伽馬暴直接命中的可能性可以忽略不計;但我們知道它在宇宙中時不時就會發生。正確的做法,當然是趁它沒有打到我們的時候,看戲(劃去)研究啦。

伽馬射線是個啥?

伽瑪射線與眼睛能看見的光一樣,都是電磁波的一種。電磁波就像湖面的水波,“上下”震蕩著向前傳播。電磁波按波長(相鄰兩個波峰的距離)從長到短,可以分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線,波長越短,能量越強。因此,波長最短的伽瑪射線也是能量最強的電磁波,它的能量比可見光大幾十萬倍以上。可以穿透連X光都無法穿透的障礙。想擋住伽瑪射線則需要厚厚的墻、鉛磚或者….地球大氣層。正因為我們有大氣層,所以宇宙中產生的小劑量伽瑪射線才無法到達地面毀滅地球生物;也因為大氣層的存在,想要探測小量的伽馬射線,只能想辦法繞開這層障礙,就比如,把望遠鏡架在太空里。

伽馬暴又是個啥?

伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱。顧名思義,它是宇宙中突然產生的伽瑪射線大爆發。

在晴朗的夜空,普通人肉眼最多可見九千多顆星星,它們大部分都是恒星——就像咱們的太陽。不過有些恒星雖然個頭比太陽大幾十倍,但壽命(從形成至死亡的時間)卻比太陽短得多。在它們生命的盡頭,整個恒星會發生劇烈的爆炸,然后逐漸被壓縮成黑洞,開始吞噬周圍的一切。然而,并不是所有物質都會被黑洞吞掉,有一部分會以近乎光速噴發而出,就像一束綻放的“煙花”,時間雖短(最長不過數千秒,短則不到百分之一秒),卻亮過全宇宙其他天體的總和,在一瞬間釋放出相當于太陽一生所釋放的能量。這瞬間爆發的巨大能量中就包含著極其強烈的伽馬射線,這就是伽馬暴。??

伽馬暴的藝術家想象圖。當一顆巨大恒星坍縮為黑洞時,有可能會在短時間內向旋轉方向的兩級釋放出大量的伽馬射線。圖片來源:Nicolle Rager Fuller, NSF

兩個黑洞相互靠近、高速繞轉、逐漸靠近、直至碰在一起劇烈合并成為一顆黑洞的過程中也可能產生伽馬暴。這個過程是不是有點兒眼熟?沒錯,這也是引力波的產生過程。科學家估計,兩顆致密星(比如黑洞、中子星)碰撞合并的過程不僅能產生引力波,也可能或很可能產生伽瑪暴。這類伽瑪暴通常比恒星生命晚期爆炸產生的伽瑪暴要短,但發射的伽瑪射線的平均能量更高。

兩顆致密星(黑洞或中子星)產生引力波的過程,也可能伴隨著伽馬暴的誕生。圖片來源:upi.com

我們已經探測到了三例雙黑洞系統產生的引力波,但還沒有探測到對應的伽瑪暴。未來幾年,“天極”將監測搜索引力波暴對應的伽瑪暴。如果幸運地探測到與引力波事件關聯的伽瑪暴,將無疑有助于揭開這宇宙中最絢爛煙花的起源之謎。

伽馬、射線、暴……還有個“偏振”又是啥?

看圖說話吧,如圖所示,電磁波向左傳播,跟傳播方向垂直的平面內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就叫做電磁波的偏振方向。伽瑪暴發出的伽瑪射線也是電磁波,伽瑪射線的偏振就是伽馬射線電場的振動方向。

電磁波的示意圖。圖片來源:中科院科學傳播局

讓我們舉個例子。假設你站在房間里,窗戶上裝著豎狀的防盜欄桿,如果想向屋外遞出一個大的圓盤,你必須把盤子豎過來順著欄桿方向遞出去,否則會被欄桿卡住。整束伽瑪光子就類似這個圓盤,如果你在光路上放一個能攔住電磁波的欄桿,那么就只有與欄桿方向順著的偏振方向上的光子才能完全透過這個欄桿,別的偏振方向的光子透過去的強度會減少,與欄桿垂直的偏振方向上的光子則完全不能透過。你在生活中就能看到這樣的欄桿,它們叫做偏振濾片。正是利用了這個原理,我們可以帶上偏振眼鏡看3D電影,還可以做成攝影用的旋轉偏振濾鏡放置在相機鏡頭前使天空變得更藍,或濾掉水面的反射光從而清晰地拍攝水中的魚。

無偏(即偏振方向分布在各個方向)的電磁波經過偏振過濾片后得到偏振光。圖片來源:中科院科學傳播局

知道伽馬暴偏振是啥了,探測它干啥?

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,能夠將天體物理中最重要的三個層次——恒星、星系以及宇宙學聯系起來。雖然這十幾年來人們對伽瑪暴的研究取得了長足的進步,但是有關伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好的解決。對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——當然,也有助于在遙遠的未來躲開它。

天文學的發展向來是由觀測驅動的,理論的突破往往建立在新的觀測基礎之上。對科學家來說,望遠鏡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,讓火車跑得更快,但同時還得思考如何修建新的鐵路讓火車奔向更廣闊的世界。伽瑪射線偏振探測就是這樣一條新鐵路。科學家對宇宙中伽馬射線所包含的四種信息中的三個(到達時間、能量、方向)都已經有了成熟探測辦法,唯獨對偏振無能為力。想要測量它太難了,科學家努力了40多年,迄今仍然沒有合適的方法能夠對伽瑪暴偏振進行高精度的系統性探測研究。然而,很快,天極望遠鏡就將為伽瑪暴研究打開一扇新的窗口,將我們帶入一片全新的天空,探索宇宙的“天機”。

本文作者為熊少林、張雙南、張永杰、徐明、孫建超,由中科院科學傳播局提供。

(編輯:水白羊,Ent)

題圖來源:imagine.gsfc.nasa.gov

The End

發布于2016-09-15, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

我的評論

環球科技觀光團

環球科技觀光團

pic
    河南快赢481玩法