天宮二號之“天極”望遠鏡的小目標

服役多年的天宮一號見證了我國宇航技術和天文探測的發展，以及諸多太空科學實驗走入并扎根太空的步伐，如今，繼天宮一號之后，天宮二號又要出征太空，開啟我國宇航及空間實驗相關方面的科技新征程。作為“天宮一號”的“繼承者”，天宮二號上即將進行的各類實驗達到了史無前例的14項，堪稱中國航天史上“最忙碌”的空間實驗室。根據計劃，天宮二號上將開展地球觀測和空間地球系統科學、空間應用新技術、空間技術和航天醫學等領域的應用和試驗，因此可以說天宮二號也是中國第一個真正意義上的空間實驗室。

除此之外，天宮二號還將身負神秘任務，它將攜帶國際首個專用的高靈敏度伽馬射線暴偏振測量儀器——“天極”望遠鏡進入太空展開科學探索實驗。這項由中國－瑞士合作開展的“伽馬暴偏振探測項目”（POLAR）是中國空間天文“黑洞探針”計劃的組成部分，該計劃以黑洞等極端天體作為恒星和星系演化的探針，理解宇宙極端物理過程和規律，解答宇宙組成和演化。這表示天宮二號上將攜帶世界上伽馬暴和黑洞探測在伽瑪射線偏振探測方面能力最專業的設備，極有可能為我國天體物理學的發展帶來重要的突破。更多關于“天極”的專業資訊，我們邀請到了中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南教授來解答。

圖1 中國科學院高能物理研究所研究員，中國科學院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南

伽瑪暴——恒星的“生命之花”

天宮二號上即將進行的各類實驗達到了史無前例的14項，堪稱中國航天史上“最忙碌”的空間實驗室。其攜帶的高靈敏度伽馬射線暴偏振測量儀器——“天極”望遠鏡，就如同小蜜蜂的“復眼”一般，捕捉遙遠宇宙中突然發生的伽瑪射線暴（簡稱伽瑪暴）現象。那么什么是伽馬射線？伽瑪暴又是怎樣的物理現象？

張雙南研究員解釋說，伽馬射線與我們所熟悉的可見光一樣，也是電磁波的一種。電磁波按波長（即相鄰兩個波峰的距離）從長到短，可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線等等。因此，伽瑪射線是波長最短、能量最高的電磁波，它的能量比可見光大幾十萬倍以上。伽瑪暴是伽馬射線暴的簡稱，恒星在演化到最后的時候內部將發生劇烈的爆發，而這種爆發的過程中可能伴隨著強烈的伽馬射線的爆發。雖然這種強烈的伽馬射線輻射持續時間長則不過幾千秒，短則不足百分之一秒，然而其亮度卻超過全宇宙其它天體的總和，輻射能量比太陽一生輻射的總能量還多得多，猶如恒星最后的“生命之花”，將一生的輝煌在一瞬間綻放。另外，當兩個黑洞或者中子星最后并合在一起的時候，也會產生強烈的伽馬射線的爆發，這種爆發的能量通常比我們一般所知道的超新星爆發它的總能量要高成千上萬倍，也被稱為是宇宙大爆炸之后最劇烈的天體的爆發現象。

圖2 伽瑪暴正面示意圖

天極——捕捉宇宙中最美的瞬間

從1973年公布發現伽瑪暴以來，關于伽瑪暴的研究一直是天文學和物理學中一個極其活躍的前沿領域。自1997年以來，伽瑪暴的觀測研究四次被美國的《科學》雜志評為年度世界十大科技成就之一。但是因為技術的限制，對于伽馬射線偏振現象的研究一直沒有突破性的進步，甚至說仍舊是一個空白的領域。

張雙南表示，關于伽瑪射線偏振的研究之所以進展緩慢，主要是因為伽馬射線偏振的測量與一般的測量方法非常不同，除了需要測量光子到達的方向、能量和時間以外，還需要經過伽瑪射線探測器中的多個作用過程才能夠獲取偏振的測量信息，這個在技術上的難度非常大。但是，偏振信息卻是研究伽瑪暴現象的重要參考信息，它對于理解伽瑪暴的產生原因、產生環境的磁場和幾何結構起著關鍵性作用。

那么作為高靈敏度伽馬射線暴偏振測量儀器——“天極”望遠鏡又有怎樣的獨特之處呢？張雙南解釋說，“天極”探測器與普通的探測器或者望遠鏡不同，一般的望遠鏡會有一個鏡頭，鏡頭下面就是膠片或者CCD（電荷耦合器件），但是“天極”是由一個陣列的探測器共同組成，一共25個單元，每個單元內都有64個不同的探測器，所以“天極”是由總共1600個敏感元件組成的探測器，這樣的組合就如同自然界中蜜蜂等昆蟲的“復眼”一般，所以我們給“天極”起了一個小名叫“小蜜蜂”，“天極”望遠鏡就是利用這么多不同的“眼睛”來“觀測”伽馬射線的偏振現象的。

圖3 伽瑪暴偏振探測器—OBOX實物圖

非同凡響的探索

“天極”望遠鏡的英文名叫做POLAR，除了具有“極化”的含義之外，它其實也是“Polarization偏振”這個單詞的縮寫，所謂天極就是天體的極化，而極化就是偏振。

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。它涉及宇宙學距離上的恒星級過程，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。但是由于儀器能力的限制，目前國際上的觀測結果還非常少，而且沒有任何一個測量結果達到了科學意義上的確認程度。也就是嚴格來說，目前世界上還沒有對伽瑪暴伽瑪射線偏振的有效測量結果。

張雙南表示，作為國際上最靈敏的伽瑪射線暴偏振探測儀器，“天極”能夠獲得高精度伽瑪射線偏振測量的最大樣本，它的主要科學目標是觀測伽瑪射線暴并且測量伽瑪射線暴的偏振性質，預期運行兩年“天極”可以探測到大約100個伽瑪射線暴。通過系統地測量伽瑪射線暴的偏振，能夠從觀測上對伽瑪射線暴的輻射機制模型加以限制或約束，為更好的理解宇宙中極端天體物理環境下的這種最劇烈的爆發現象產生的機制做出重要的貢獻。