飞进宇宙的“小蜜蜂”，盯上了神秘“伽马暴”

　　来源：我是科学家iScientist
　　不久前，一只飞进宇宙的“小蜜蜂”——“天极”望远镜，完成了自己的重要使命——伽马射线暴瞬时辐射的高精度偏振探测。这一成果于2019年1月14日在线发表在《自然·天文学》（Nature · Astronomy）杂志上。

“天极”望远镜在轨搭载在天宫二号空间实验室艺术效果图（根据星上相机拍摄的实物照片艺术加工而成）。图片来源：中国科学院高能物理研究所提供

　　“小蜜蜂”的出色表现，让科学家们拿到了迄今为止伽马射线暴偏振的最佳观测结果。这些成果将有利于帮助人们更好地理解宇宙中一些基本天体物理过程（如黑洞的形成，极端相对论喷流的产生等），为科学家们回答对宇宙中极端物理环境和条件下的基础科学问题提供重要线索。
　　来自宇宙的酷炫特效——伽马暴
　　伽马射线暴（简称伽马暴）是自宇宙大爆炸以来，人类所能探测到的宇宙中最强烈的天体爆发现象。它爆发时的亮度极高，比宇宙中其他天体的伽马射线亮度总和还要大，持续时间一般在0.1-1000秒，辐射能量主要集中在0.1-100兆电子伏。

伽马暴现象的模拟图。图片来源：中国科学院高能物理研究所提供

　　从1973年公布发现伽马暴以来，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。自1997年以来，伽马暴的观测研究四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。
　　目前，人类看到的最遥远的伽马暴（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。
　　伽马暴是如何产生的呢？一般认为有两种模式：一种模式是这种爆发是在大质量恒星死亡的过程中所产生的，另外一种模式是两个致密天体如中子星或者一个中子星和一个黑洞的并合所产生的。这两种过程一般都伴随着黑洞的诞生。

两个中子星的并合产生伽马暴的模拟图。图片来源：中国科学院高能物理研究所提供

　　为什么要测量伽马暴偏振？
　　偏振现象是光的一种特性，当光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内趋于某些方向振动时就会出现偏振。那么根据电场矢量振动方向趋向性的情况，可将偏振光分为完全偏振光、部分偏振光以及非偏振光三种。

偏振现象的示意图

　　其中完全偏振光又分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三种。部分偏振光是非偏振光和完全偏振光的叠加。自然光即是一种非偏振光。
　　在自然界中的一些生物，也具有利用偏振光来感知外界的能力。我们常见的小蜜蜂就是个典型的例子：它们有五支眼，其中三支单眼、两支复眼，每个复眼又包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

蜜蜂的复眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位。图片来源：中国科学院高能物理研究所提供

　　那么，伽马暴偏振测量的意义是什么呢？从伽马暴现象的发现至今已长达半个世纪，但对其爆发本质的研究目前还没有一个定论。对于伽马暴的爆发机制，科学家提出了多种理论模型。不同理论模型间对于伽马暴爆发期间产生的伽马射线的偏振状态有所差别。
　　因此，采用测量偏振的方法，可以对伽马暴的爆发机制进行研究，从而对爆发的物理过程、辐射区结构以及周围磁场的结构进行确认。
　　测好伽马暴偏振，不是轻松事
　　宇宙天体产生的伽马射线光子具有以下四个方面的信息：光子的到达时间、能量、方向以及偏振。
　　目前，科学家对前三个方面都已经有成熟的方法进行探测研究，然而在最后的偏振探测上却遇到了困难。而且是非常大的困难——首先，要捕捉到伽马暴本身就不容易。由于伽马射线在进入大气层时会发生反应，从而在地面无法测量伽马暴产生的伽马射线，必须在外太空实现对伽马暴的观测，这就需要合适的卫星平台。其次，要研制有效面积大、灵敏度高的偏振探测器技术上比较困难。
　　在“天极”望远镜之前已经有过其他卫星尝试测量伽马暴偏振，但大部分都因为探测仪器自身的系统误差大而无法给出有效的偏振测量结果，而少数系统误差较小的实验的灵敏度又比较差，也没有给出具有统计意义的高精度伽马射线暴偏振测量结果。
　　纵观伽马暴的研究历史，从上世纪60年代发现至今已有约半个世纪，在过去近25年当中，共有5个空间探测实验项目共计发表了约10个伽马射线暴的伽马射线偏振探测结果。CGRO、RHESSI以及INTEGRAL等尽管报道了几例伽马暴的偏振测量结果，但都由于探测器本身偏振测量系统误差较大、测量结果粗糙，无法对伽马暴辐射机制模型进行任何约束或限制。
　　后来的GAP和COSI实验在偏振测量系统误差上得到了改善，但是由于有效面积比较小，偏振测量的灵敏度仍然较差，所以得到伽马暴的偏振测量结果也很少，而且精度也不高。
　　不负众望，“天极”望远镜脱颖而出
　　与之前的探测工作相比，“天极”望远镜的表现令人倍感欣喜。“天极”望远镜在轨探测并且确认了55个伽马射线暴，对其中5个伽马射线暴进行了高精度的偏振测量，这是目前为止国际上最大的高精度伽马暴偏振测量样本，首次发现了伽马射线暴在爆发期间的平均偏振度较低（平均约为10%）的结论，并且首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。其中a、b、c、d、e分别对应于编号是161218A、170101A、170127C、170206A和170114A的伽马暴。f对应的是编号为170114A的伽马暴，但对其分析过程中所用到的信号进行了详细划分，从而研究其偏振演化现象。图片来源：中国科学院高能物理研究所

　　这些新的观测结果表明，产生伽马射线的极端相对论喷流内部的演化可能导致了偏振角的快速演化，使得观测到的伽马射线暴的平均偏振度较低。该发现与现有的主要伽马射线暴模型的预言明显不一致，表明极端相对论喷流的结构及其内部磁场的位型比以往所理解的更加复杂。
　　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结果，有利于更好的理解黑洞的形成和极端相对论喷流的产生等基本天体物理过程，为下一代空间高能天文观测仪器的发展和空间天文基础物理前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础，并且提出了新的重要研究课题。
　　在“天极”望远镜的观测成果发布之前，人们都还还没有对伽马暴偏振进行过高精度的系统性探测研究。可以说，天宫二号“天极”望远镜实验为伽马暴的研究打开了一扇新的窗口，未来有望在该研究领域取得更多新的进展和发现。
　　“小蜜蜂”因何如此优秀？
　　“天极”（POLAR）望远镜全称为伽马暴偏振探测仪，它是天宫二号空间实验室上唯一一台搭载在舱外的中欧国际合作实验项目。
　　“天极”望远镜结构上采用1600个探测单元组成40×40的探测器阵列。这个结构和蜜蜂的复眼非常相似，因此“天极”望远镜也获得了一个可爱的昵称，叫做“小蜜蜂”。它正是是利用这些敏锐的“眼睛”去探测来自宇宙深处的伽马暴。

“小蜜蜂”捕获伽马暴的情景（示意图）。图片来源：中国科学院高能物理研究所

　　探测器材料采用密度低、原子序数低、机械和化学性能稳定的有机塑料闪烁体，有利于伽马光子与探测器之间发生康普顿散射相互作用，从而更加有效地测量伽马光子的偏振信息。

“天极”望远镜系统组成。左图：偏振探测器OBOX右图：电控箱IBOX。图片来源：中国科学院高能物理研究所

“天极”望远镜系统组成。探测器单内部组成，“天极”望远镜内部共有25个这样的探测器单体。图片来源：中国科学院高能物理研究所

　　“天极”望远镜的幕后英雄，是天宫二号“天极”望远镜载荷分系统总体单位——中国科学院高能物理研究所。从二十世纪70年代末开始进行空间探测实验，曾开展过多次高空科学气球和球载硬X射线望远镜实验，主持了多项空间探测实验仪器的研制，负责和参加多个新的空间高能天文项目。

中国科学院高能物理研究所。拍摄者：Yuki

　　此次，高能所“天极”望远镜团队携手欧洲科学家一起攻坚克难，历经十余年的技术攻关和科学研究，最终攻克了伽马暴偏振探测的难题，完成了在空间对伽马暴进行的高精度、系统性的偏振观测工作，在该研究领域取得了前所未有的进展，获得了国际同行的高度评价。
　　接下来，他们还将进一步扩大国际合作，共同解读“天极”望远镜提出的关于伽马射线暴的全新科学问题，为最终解决黑洞的形成和极端相对论喷流产生做出关键性贡献。

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