γ射线尽收眼底

撰文/庞之浩发表于 2019年12月25日

宇宙中电磁辐射无处不在，我们通过观察和分析宇宙中各波段的电磁波才能全面了解宇宙，从无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线到X射线已经进行了较深入的研究，而对最高能量的γ射线了解不多。这次美国新一代γ射线天文卫星——“γ射线大面积太空望远镜”升空入轨，它将通过更高频的电磁波波段观察深空高能天体，有望揭开暗物质和其他神秘现象背后的真相。

电磁波是传输信息的载体，宇宙中的万物每时每刻都在不断向空间辐射电磁波。由于各种天体的性质和运动状态各不同，所以它们所辐射的电磁波也不同，不同的电磁波蕴含着不同的信息。我们在地球表面也可以接收到大部分电磁波，比如可见光，但由于地球大气的阻隔和干扰，在地面并不能接收到宇宙中发来的所有信号，或者接收到的信号质量不高，例如高能射线如γ射线在地面就很难接收到。为此人们把各种探测器送到天上，这就出现了红外天文卫星、可见光天文卫星、紫外天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星等，以便科学家能够全波段探测宇宙的奥秘。其中γ射线最为诡异，茫茫宇宙中时常会从各个角落突然放射出高能γ射线，而且会忽明忽暗，看上去有点神出鬼没，这就增加了γ射线的探测难度。

2008年6月5日升空的“γ射线大面积太空望远镜”（Gamma-ray Large Area Space Telescope，GLAST）就是一颗γ射线天文卫星。在此之前，已经有一些γ射线天文卫星在太空探测γ射线的踪迹。1972年入轨的美国小型天文卫星2号（SAS—2）是第一颗专门用于观测γ射线的天文卫星；此后又先后发射了欧洲宇宙线观测卫星-B（COS-B）、美国高能天文学观测台-3（HEAO-3）、美国“康普顿”γ射线太空望远镜、美国高能瞬变卫星-2（HETE-2）、欧洲“国际γ射线天体物理学实验室”（Integral）、美国研制的“雨燕”卫星等γ射线天文卫星等。其中美国康普顿γ射线太空望远镜在世界影响最大，因为它是20世纪人类发射的最重的人造地球卫星，而且是从20世纪90年代起美国开始实施的“大观测计划”中“四大天王”之一。其他三大天文卫星是哈勃太空望远镜、钱德拉X射线太空望远镜和斯皮策红外太空望远镜。这四大天王都以著名天文学家的名字命名，它们几乎覆盖了宇宙中的全波段，并已取得大量天文观测成果，极大地推动了人类对于宇宙的认识。

只可惜，康普顿γ射线太空望远镜于2000年结束了使命，γ射线大面积太空望远镜有替补之意。但它更进一步，不仅接收γ射线的有效面积大，而且仪器的视场大、可测量的能谱宽，灵敏度也高，比之前的任何γ射线望远镜灵敏都高出30～100倍，可在高能γ射线波段的全天域连续成像观测；也能为“康普顿”γ射线空间望远镜发现的γ射线源进行重新定位，更好地揭示其本质。它的设计寿命为5年，目标寿命为10年。人们期盼，在不久的未来，γ射线大面积太空望远镜能带给科学家们具有里程碑意义的图像和新发现。

间接捕获γ射线

γ射线是电磁波谱中波长最短、能量最高的一种射线，波长短于0.1埃，能量通常可达上百万电子伏特。这种射线是从原子核中发出的光子，一般是在宇宙中最热的区域产生，也能在超新星爆发等猛烈的事件中产生，还可以在核蜕变以及空间放射性物质衰变过程中产生。它通常来自宇宙中的双星、脉冲星和黑洞等高密度天体。来自浩瀚宇宙空间的γ射线在短时间内突然增强的现象，人们称之为γ射线暴（GRBs），其持续时间从几十毫秒到几十分钟不等，大多数暴发都在几十秒钟左右。一般一次γ射线暴的“亮度”相当于全天所有γ射线源“亮度”的总和，这种现象是随机发生的，平均每天可探测到1～2次γ射线暴。

由于γ射线的辐射强度远大于这类星体的可见光，而地表臭氧层对该射线的屏蔽作用阻碍了科学家们通过它来探索宇宙的努力，因此，在太空进行γ射线探测对于揭开黑洞之谜、了解恒星的形成及演化具有重要意义。

γ射线并不像可见光那样可以用透镜直接聚焦成像，只能通过间接的方式探测它。γ射线通过物质时，不像一般的带电粒子那样使物质的原子直接电离或激发，很难聚焦到探测器，但它可以与原子的原子核或核外电子发生电磁相互作用，从而引起3种效应，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。由于这3种效应会产生次级电子，这些次级电子在遇到探测器物质时能引起电离和激发，由此就可间接地探测到γ射线。所以，目前对γ射线进行成像探测的仪器有旋转调制准直器、康普顿散射望远镜和电子对望远镜3种模式。美国“高能太阳分光成像仪”（High Energy Solar Spectrosco）采用了旋转调制准直器技术；“康普顿”γ射线太空望远镜采用了康普顿散射望远镜技术；γ射线大面积太空望远镜则采用了电子对望远镜技术，它装备了能够把γ射线转化为正负电子对的探测器。严格地讲，γ射线天文卫星不是用聚焦成像的方式进行天体观测的，它没有镜片，所以不应叫望远镜，但公众已经习惯了这种叫法，所以它是“没有镜片”的望远镜。

空中新星闪烁

康普顿γ射线太空望远镜重达17吨，是最大的天文卫星。γ射线大面积太空望远镜比它要小得多，但功能却要强大很多，它高为2.8米，直径为2.5米，发射质量为4277千克；运行时功率仅有160瓦；运行在高550千米、倾角为28.5°、周期为95分钟的圆形轨道。这一轨道与“雨燕”类似，可以尽量避开带电粒子的影响。该卫星升空后先进行两个月的测试与调整，预计3个月后正式公布第一批结果。

它将观测遍布在宇宙中的各种星体发出的γ射线暴以及其他γ射线源，用于了解高能粒子加速机制、辨别γ射线源、确定γ射线暴的高能特性、探测暗物质和早期的宇宙。它是新一代γ射线天文卫星，主要仪器有γ射线大面积望远镜和γ射线暴监测器，其望远镜接收光子的面积是“康普顿”相应仪器的5倍。该望远镜不仅拥有极其广阔的观测视野，而且还是全球最灵敏的γ射线卫星，其观测灵敏度比现有的其他γ射线卫星至少强30倍，能帮助科学家们获取有关宇宙进化、黑洞物质喷发和暗物质微粒碰撞的有关信息。

大面积望远镜的特性是：有较高的灵敏度，可探测从20MeV～300GeV的能量范围（“康普顿”γ射线太空望远镜的探测范围是20keV～30GeV），在高能段具有绝对优势，尤其是10GeV以上的能量区域以前几乎未被观测过，这一区域中可能隐藏着一些线索，能够帮助科学家揭开诸如暗物质之类的宇宙谜团。

γ射线大面积太空望远镜上的γ射线暴监测器是专门监测γ射线暴，用于提供γ射线暴的位置和光谱信息，并实时将这些数据传回地面，从而调整“γ射线大面积太空望远镜”的指向，使得γ射线暴处于大面积望远镜的视场之内。在接到触发信号之后，该卫星本体会自动转向，大面积望远镜也能自身触发，触发后10秒之内，γ射线暴坐标定位网就可以接收到坐标信息。γ射线暴监测器还可探测低能γ射线，可起到很好的补充作用，使得“γ射线大面积太空望远镜”的工作波段大大扩展。

“γ射线大面积太空望远镜”是这颗天文卫星的暂用名，美国宇航局曾于2008年2月开始在全世界范围内为这颗卫星征名，任何人都可以通过网站（glast.sonoma.edu/glastname）直接将名称发送到美国宇航局的名称审核机构，以便在该望远镜投入使用前给它一个正式的名字。目前征名活动已告一段落，不久它会有一个新的名称。

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