一只飞进宇宙的“小蜜蜂”

文章作者:管理一号 | 2019-01-16
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不久前,一只飞进世界的“小蜜蜂”——“天极”望远镜,完成了自己的重要任务——伽马射线暴瞬时辐射的高精度偏振勘探。这一效果于2019年1月14日在线宣布在《天然·地理学》(Nature · Astronomy)杂志上。

“天极”望远镜在轨搭载在天宫二号空间试验室艺术效果图(依据星上相机拍照的什物相片艺术加工而成)。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给“天极”望远镜在轨搭载在天宫二号空间试验室艺术效果图(依据星上相机拍照的什物相片艺术加工而成)。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给

“小蜜蜂”的超卓体现,让科学家们拿到了迄今为止伽马射线暴偏振的最佳观测效果。这些效果将有利于协助人们更好地了解世界中一些根本天体物理进程(如黑洞的构成,极点相对论喷流的发作等),为科学家们回答对世界中极点物理环境和条件下的根底科学问题供给重要头绪。

来自世界的酷炫特效——伽马暴

伽马射线暴(简称伽马暴)是自世界大爆炸以来,人类所能勘探到的世界中最激烈的天体迸发现象。它迸发时的亮度极高,比世界中其他天体的伽马射线亮度总和还要大,持续时刻一般在0.1-1000秒,辐射能量首要会集在0.1-100兆电子伏。

伽马暴现象的模拟图。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给伽马暴现象的模拟图。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给

从1973年发布发现伽马暴以来,关于它们的研讨一直是地理学和物理学中一个极点活泼的前沿范畴。自1997年以来,伽马暴的观测研讨四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。

现在,人类看到的最悠远的伽马暴(编号GRB 090423)间隔地球132亿光年,在它发作时世界尚处于儿童时期,只是6亿多岁。

伽马暴是怎么发作的呢?一般认为有两种形式:一种形式是这种迸发是在大质量恒星逝世的进程中所发作的,别的一种形式是两个细密天体如中子星或许一个中子星和一个黑洞的并合所发作的。这两种进程一般都伴随着黑洞的诞生。

 两个中子星的并合发作伽马暴的模拟图。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给 两个中子星的并合发作伽马暴的模拟图。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给

为什么要丈量伽马暴偏振?

偏振现象是光的一种特性,当光的电场矢量在垂直于光传达方向的平面内趋于某些方向振荡时就会呈现偏振。那么依据电场矢量振荡方向趋向性的状况,可将偏振光分为彻底偏振光、部分偏振光以及非偏振光三种。

偏振现象的示意图偏振现象的示意图

其间彻底偏振光又分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三种。部分偏振光对错偏振光和彻底偏振光的叠加。天然光便是一种非偏振光。

在天然界中的一些生物,也具有使用偏振光来感知外界的才能。咱们常见的小蜜蜂就是个典型的比如:它们有五支眼,其间三支单眼、两支复眼,每个复眼又包括有6300个小眼,这些小眼能依据太阳的偏光断定太阳的方位,然后以太阳为定向标来判别方向,所以蜜蜂能够准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

蜜蜂的复眼能依据太阳的偏光断定太阳的方位。图片来历:中国科学院高能物理研讨所供给

那么,伽马暴偏振丈量的含义是什么呢?从伽马暴现象的发现至今已长达半个世纪,但对其迸发实质的研讨现在还没有一个定论。关于伽马暴的迸发机制,科学家提出了多种理论模型。不同理论模型间关于伽马暴迸发期间发作的伽马射线的偏振状况有所不同。

因而,选用丈量偏振的办法,能够对伽马暴的迸发机制进行研讨,然后对迸发的物理进程、辐射区结构以及周围磁场的结构进行承认。

测好伽马暴偏振,不是轻松事

世界天体发作的伽马射线光子具有以下四个方面的信息:光子的抵达时刻、能量、方向以及偏振。

现在,科学家对前三个方面都现已有老练的办法进行勘探研讨,然而在终究的偏振勘探上却遇到了困难。而且对错常大的困难——首要,要捕捉到伽马暴自身就不简单。因为伽马射线在进入大气层时会发作反响,然后在地上无法丈量伽马暴发作的伽马射线,有必要在外太空完成对伽马暴的观测,这就需求适宜的卫星平台。其次,要研发有用面积大、灵敏度高的偏振勘探器技能上比较困难。

在“天极”望远镜之前现已有过其他卫星测验丈量伽马暴偏振,但大部分都因为勘探仪器自身的体系误差大而无法给出有用的偏振丈量效果,而少量体系误差较小的试验的灵敏度又比较差,也没有给出具有计算含义的高精度伽马射线暴偏振丈量效果。

纵观伽马暴的研讨前史,从上世纪60年代发现至今已有约半个世纪,在曩昔近25年傍边,共有5个空间勘探试验项目合计宣布了约10个伽马射线暴的伽马射线偏振勘探效果。CGRO、RHESSI以及INTEGRAL等虽然报导了几例伽马暴的偏振丈量效果,但都因为勘探器自身偏振丈量体系误差较大、丈量效果粗糙,无法对伽马暴辐射机制模型进行任何束缚或约束。

后来的GAP和COSI试验在偏振丈量体系误差上得到了改进,可是因为有用面积比较小,偏振丈量的灵敏度依然较差,所以得到伽马暴的偏振丈量效果也很少,而且精度也不高。

不负众望,“天极”望远镜锋芒毕露

与之前的勘探作业比较,“天极”望远镜的体现令人倍感欢喜。“天极”望远镜在轨勘探而且承认了55个伽马射线暴,对其间5个伽马射线暴进行了高精度的偏振丈量,这是现在为止世界上最大的高精度伽马暴偏振丈量样本,初次发现了伽马射线暴在迸发期间的均匀偏振度较低(均匀约为10%)的定论,而且初次发现了单峰结构的伽马暴偏振角的演化现象。

天宫二号“天极”望远镜在轨观测到的5个伽马暴的光变曲线。其间a、b、c、d、e别离对应于编号是161218A、170101A、170127C、170206A和170114A的伽马暴。f对应的是编号为170114A的伽马暴,但对其剖析进程中所用到的信号进行了具体区分,然后研讨其偏振演化现象。图片来历:中国科学院高能物理研讨所

这些新的观测效果标明,发作伽马射线的极点相对论喷流内部的演化或许导致了偏振角的快速演化,使得观测到的伽马射线暴的均匀偏振度较低。该发现与现有的首要伽马射线暴模型的预言显着不一致,标明极点相对论喷流的结构及其内部磁场的位型比以往所了解的愈加杂乱。

这是伽马射线暴现象自上世纪70年代发现以来所得到的最好的偏振观测效果,有利于更好的了解黑洞的构成和极点相对论喷流的发作等根本天体物理进程,为下一代空间高能地理观测仪器的展开和空间地理根底物理前沿研讨奠定了坚实的科学与技能根底,而且提出了新的重要研讨课题。

在“天极”望远镜的观测效果发布之前,人们都还还没有对伽马暴偏振进行过高精度的体系性勘探研讨。能够说,天宫二号“天极”望远镜试验为伽马暴的研讨打开了一扇新的窗口,未来有望在该研讨范畴获得更多新的发展和发现。

“小蜜蜂”因何如此优异?

“天极”(POLAR)望远镜全称为伽马暴偏振勘探仪,它是天宫二号空间试验室上仅有一台搭载在舱外的中欧世界合作试验项目。

“天极”望远镜结构上选用1600个勘探单元组成40×40的勘探器阵列。这个结构和蜜蜂的复眼十分类似,因而“天极”望远镜也获得了一个心爱的昵称,叫做“小蜜蜂”。它正是是使用这些敏锐的“眼睛”去勘探来自世界深处的伽马暴。

“小蜜蜂”捕获伽马暴的情形(示意图)。图片来历:中国科学院高能物理研讨所“小蜜蜂”捕获伽马暴的情形(示意图)。图片来历:中国科学院高能物理研讨所

勘探器资料选用密度低、原子序数低、机械和化学功能安稳的有机塑料闪耀体,有利于伽马光子与勘探器之间发作康普顿散射相互作用,然后愈加有用地丈量伽马光子的偏振信息。

“天极”望远镜体系组成。左图:偏振勘探器OBOX右图:电控箱IBOX。图片来历:中国科学院高能物理研讨所

“天极”望远镜体系组成。勘探器单内部组成,“天极”望远镜内部共有25个这样的勘探器单体。图片来历:中国科学院高能物理研讨所“天极”望远镜体系组成。勘探器单内部组成,“天极”望远镜内部共有25个这样的勘探器单体。图片来历:中国科学院高能物理研讨所

“天极”望远镜的幕后英雄,是天宫二号“天极”望远镜载荷分体系整体单位——中国科学院高能物理研讨所。从二十世纪70年代末开端进行空间勘探试验,曾展开过屡次高空科学气球和球载硬X射线望远镜试验,掌管了多项空间勘探试验仪器的研发,担任和参与多个新的空间高能地理项目。

中国科学院高能物理研讨所。拍照者:Yuki

此次,高能所“天极”望远镜团队携手欧洲科学家一同攻坚克难,历经十余年的技能攻关和科学研讨,终究霸占了伽马暴偏振勘探的难题,完成了在空间对伽马暴进行的高精度、体系性的偏振观测作业,在该研讨范畴获得了史无前例的发展,获得了世界同行的高度评价。

接下来,他们还将进一步扩展世界合作,一起解读“天极”望远镜提出的关于伽马射线暴的全新科学问题,为终究处理黑洞的构成和极点相对论喷流发作做出关键性奉献。

 

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