“天極”望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)原理圖。左：偏振探測器；右：電控箱
“天極”望遠(yuǎn)鏡的實(shí)物圖。左：偏振探測器；右：電控箱
“它就是一只‘小蜜蜂’。”中科院高能物理研究所研究員、天極伽馬暴偏振探測儀項(xiàng)目首席科學(xué)家張雙南這樣形容自己團(tuán)隊(duì)的作品——“天極”望遠(yuǎn)鏡。
這只“小蜜蜂”不是普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它是目前國際上最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，也是天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室搭載的實(shí)驗(yàn)中唯一的國際合作項(xiàng)目。
張雙南告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，“天極”獲得的數(shù)據(jù)將有助于人類理解黑洞和中子星合并、太陽極端爆發(fā)等天體現(xiàn)象，從而了解宇宙如何演變，檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對論。
天文學(xué)的新軌道
電磁波按波長從長到短，分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、x射線和伽馬射線等。伽馬射線波長最短、能量最強(qiáng)，其能量比可見光大幾十萬倍。
100年前，愛因斯坦預(yù)測了引力波的存在。今年2月11日，人類首次直接探測到引力波。據(jù)悉，這次引力波是由兩個(gè)黑洞合并后產(chǎn)生，其虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長旅行，終于抵達(dá)地球。
張雙南表示，今后還可能觀測兩個(gè)中子星合并或者黑洞和中子星的合并，在產(chǎn)生引力波的過程中也可能產(chǎn)生伽馬射線暴（簡稱“伽馬暴”）。
宇宙中的伽馬暴來源于恒星坍塌時(shí)發(fā)生的劇烈爆炸，恒星中的物質(zhì)以近乎光速噴出，形成射線暴，其亮度超過全宇宙其他天體的總和，輻射能量與太陽一生（百億年）的總能量相當(dāng)。
從1973年公布發(fā)現(xiàn)以來，伽馬暴的起源及物理過程一直是天文學(xué)和物理學(xué)中活躍的前沿領(lǐng)域。1997年至今，伽馬暴的觀測研究4次被《科學(xué)》雜志評為年度世界十大科技成就之一。
不過，在對伽馬暴的研究中，人類卻碰到了釘子。宇宙天體產(chǎn)生的伽馬射線光子具有四方面信息：到達(dá)時(shí)間、能量、方向和偏振?？茖W(xué)家在前三個(gè)方面都已有成熟的探測方法，但由于儀器能力有限，國際上迄今還沒有任何一個(gè)測量結(jié)果達(dá)到了科學(xué)意義上的確認(rèn)程度
“伽馬射線的偏振信號(hào)主要反映了產(chǎn)生區(qū)域的物質(zhì)幾何和磁場結(jié)構(gòu)，有助于人類理解相對論噴流的產(chǎn)生機(jī)制?！睆堧p南說，望遠(yuǎn)鏡和探測器是天文學(xué)這輛火車的車頭，伽馬射線暴偏振探測是行進(jìn)路上的一條新鐵軌，通過它，火車可以看到以前沒有領(lǐng)略過的風(fēng)景，為伽馬暴研究打開新窗口，而“天極”望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)正是高精度、系統(tǒng)性測量伽馬暴的偏振性質(zhì)。
偏愛伽馬暴的“小蜜蜂”
“天極”望遠(yuǎn)鏡的全稱是“天極”伽馬暴偏振探測儀（polar）。張雙南告訴記者，“天極”代表“天體的極化”，而“極化”和“偏振”在英語中對應(yīng)同一個(gè)詞polarization，因此“天極”望遠(yuǎn)鏡又簡稱polar。
“天極”由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位參加研制。其中，偏振探測器將安裝于天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的艙外，背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發(fā)過程中產(chǎn)生的伽馬光子，并測量它們的偏振性質(zhì)。
張雙南之所以將“天極”望遠(yuǎn)鏡稱為“偏愛伽馬暴的‘小蜜蜂’”，原因有二。首先，“天極”在構(gòu)造上與蜜蜂的復(fù)眼有異曲同工之妙。
人眼是無法分辨光的偏振狀態(tài)的，但某些昆蟲卻很敏感。比如蜜蜂有三只單眼、兩只復(fù)眼，每個(gè)復(fù)眼包含6300個(gè)小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏振光確定太陽的方位。而“天極”望遠(yuǎn)鏡采用1600根塑料閃爍棒（伽馬射線在該塑料材料中可誘發(fā)熒光）組成一個(gè)探測器陣列，通過測量每個(gè)伽馬射線光子同時(shí)作用的多根塑料閃爍棒的位置分布獲取偏振信息。
其次，由于伽馬暴是不可預(yù)測、隨機(jī)發(fā)生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽馬暴，“天極”望遠(yuǎn)鏡將在允許的情況下盡量多地開機(jī)運(yùn)行，猶如蜜蜂一樣不知疲倦地工作?！熬唧w成果還取決于儀器運(yùn)行情況和屆時(shí)天體的活動(dòng)情況?！睆堧p南說。
據(jù)介紹，預(yù)期運(yùn)行兩年“天極”可以探測到大約100個(gè)伽馬射線暴，雖然數(shù)量上不是最多，但“天極”能夠獲得高精度伽馬射線偏振測量的最大樣本。
同時(shí)，張雙南表示，在天宮二號(hào)運(yùn)行期間，“天極”會(huì)對其他天體和爆發(fā)現(xiàn)象的伽馬射線的偏振進(jìn)行測量，如中子星和太陽耀斑產(chǎn)生的伽馬射線，將有助于人類理解中子星的磁場結(jié)構(gòu)和太陽極端爆發(fā)的現(xiàn)象。
