飛進宇宙的「小蜜蜂」，盯上了神秘「伽馬暴」

　　來源：我是科學家iScientist

　　不久前，一隻飛進宇宙的「小蜜蜂」——「天極」望遠鏡，完成了自己的重要使命——伽馬射線暴瞬時輻射的高精度偏振探測。這一成果於2019年1月14日在線發表在《自然·天文學》（Nature · Astronomy）雜誌上。

「天極」望遠鏡在軌搭載在天宮二號空間實驗室藝術效果圖（根據星上相機拍攝的實物照片藝術加工而成）。圖片來源：中國科學院高能物理研究所提供

　　「小蜜蜂」的出色表現，讓科學家們拿到了迄今為止伽馬射線暴偏振的最佳觀測結果。這些成果將有利於幫助人們更好地理解宇宙中一些基本天體物理過程（如黑洞的形成，極端相對論噴流的產生等），為科學家們回答對宇宙中極端物理環境和條件下的基礎科學問題提供重要線索。

　　來自宇宙的酷炫特效——伽馬暴

　　伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）是自宇宙大爆炸以來，人類所能探測到的宇宙中最強烈的天體爆發現象。它爆發時的亮度極高，比宇宙中其他天體的伽馬射線亮度總和還要大，持續時間一般在0.1-1000秒，輻射能量主要集中在0.1-100兆電子伏。

伽馬暴現象的模擬圖。圖片來源：中國科學院高能物理研究所提供

　　從1973年公布發現伽馬暴以來，關於它們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，伽馬暴的觀測研究四次被美國的《科學》雜誌評為年度世界十大科技成就之一。

　　目前，人類看到的最遙遠的伽馬暴（編號GRB 090423）距離地球132億光年，在它發生時宇宙尚處於兒童時期，僅僅6億多歲。

　　伽馬暴是如何產生的呢？一般認為有兩種模式：一種模式是這種爆發是在大質量恆星死亡的過程中所產生的，另外一種模式是兩個緻密天體如中子星或者一個中子星和一個黑洞的併合所產生的。這兩種過程一般都伴隨著黑洞的誕生。

兩個中子星的併合產生伽馬暴的模擬圖。圖片來源：中國科學院高能物理研究所提供

　　為什麼要測量伽馬暴偏振？

　　偏振現象是光的一種特性，當光的電場矢量在垂直於光傳播方向的平面內趨於某些方向振動時就會出現偏振。那麼根據電場矢量振動方向趨向性的情況，可將偏振光分為完全偏振光、部分偏振光以及非偏振光三種。

偏振現象的示意圖

　　其中完全偏振光又分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光三種。部分偏振光是非偏振光和完全偏振光的疊加。自然光即是一種非偏振光。

　　在自然界中的一些生物，也具有利用偏振光來感知外界的能力。我們常見的小蜜蜂就是個典型的例子：它們有五支眼，其中三支單眼、兩支複眼，每個複眼又包含有6300個小眼，這些小眼能根據太陽的偏光確定太陽的方位，然後以太陽為定向標來判斷方向，所以蜜蜂可以準確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢。

蜜蜂的複眼能根據太陽的偏光確定太陽的方位。圖片來源：中國科學院高能物理研究所提供

　　那麼，伽馬暴偏振測量的意義是什麼呢？從伽馬暴現象的發現至今已長達半個世紀，但對其爆發本質的研究目前還沒有一個定論。對於伽馬暴的爆發機制，科學家提出了多種理論模型。不同理論模型間對於伽馬暴爆發期間產生的伽馬射線的偏振狀態有所差別。

　　因此，採用測量偏振的方法，可以對伽馬暴的爆發機制進行研究，從而對爆發的物理過程、輻射區結構以及周圍磁場的結構進行確認。

　　測好伽馬暴偏振，不是輕鬆事

　　宇宙天體產生的伽馬射線光子具有以下四個方面的信息：光子的到達時間、能量、方向以及偏振。

　　目前，科學家對前三個方面都已經有成熟的方法進行探測研究，然而在最後的偏振探測上卻遇到了困難。而且是非常大的困難——首先，要捕捉到伽馬暴本身就不容易。由於伽馬射線在進入大氣層時會發生反應，從而在地面無法測量伽馬暴產生的伽馬射線，必須在外太空實現對伽馬暴的觀測，這就需要合適的衛星平台。其次，要研製有效面積大、靈敏度高的偏振探測器技術上比較困難。

　　在「天極」望遠鏡之前已經有過其他衛星嘗試測量伽馬暴偏振，但大部分都因為探測儀器自身的系統誤差大而無法給出有效的偏振測量結果，而少數系統誤差較小的實驗的靈敏度又比較差，也沒有給出具有統計意義的高精度伽馬射線暴偏振測量結果。

　　縱觀伽馬暴的研究歷史，從上世紀60年代發現至今已有約半個世紀，在過去近25年當中，共有5個空間探測實驗項目共計發表了約10個伽馬射線暴的伽馬射線偏振探測結果。CGRO、RHESSI以及INTEGRAL等儘管報道了幾例伽馬暴的偏振測量結果，但都由於探測器本身偏振測量系統誤差較大、測量結果粗糙，無法對伽馬暴輻射機制模型進行任何約束或限制。

　　後來的GAP和COSI實驗在偏振測量系統誤差上得到了改善，但是由於有效面積比較小，偏振測量的靈敏度仍然較差，所以得到伽馬暴的偏振測量結果也很少，而且精度也不高。

　　不負眾望，「天極」望遠鏡脫穎而出

　　與之前的探測工作相比，「天極」望遠鏡的表現令人倍感欣喜。「天極」望遠鏡在軌探測並且確認了55個伽馬射線暴，對其中5個伽馬射線暴進行了高精度的偏振測量，這是目前為止國際上最大的高精度伽馬暴偏振測量樣本，首次發現了伽馬射線暴在爆發期間的平均偏振度較低（平均約為10%）的結論，並且首次發現了單峰結構的伽馬暴偏振角的演化現象。

天宮二號「天極」望遠鏡在軌觀測到的5個伽馬暴的光變曲線。其中a、b、c、d、e分別對應於編號是161218A、170101A、170127C、170206A和170114A的伽馬暴。f對應的是編號為170114A的伽馬暴，但對其分析過程中所用到的信號進行了詳細劃分，從而研究其偏振演化現象。圖片來源：中國科學院高能物理研究所

　　這些新的觀測結果表明，產生伽馬射線的極端相對論噴流內部的演化可能導致了偏振角的快速演化，使得觀測到的伽馬射線暴的平均偏振度較低。該發現與現有的主要伽馬射線暴模型的預言明顯不一致，表明極端相對論噴流的結構及其內部磁場的位型比以往所理解的更加複雜。

　　這是伽馬射線暴現象自上世紀70年代發現以來所得到的最好的偏振觀測結果，有利於更好的理解黑洞的形成和極端相對論噴流的產生等基本天體物理過程，為下一代空間高能天文觀測儀器的發展和空間天文基礎物理前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎，並且提出了新的重要研究課題。

　　在「天極」望遠鏡的觀測成果發布之前，人們都還還沒有對伽馬暴偏振進行過高精度的系統性探測研究。可以說，天宮二號「天極」望遠鏡實驗為伽馬暴的研究打開了一扇新的窗口，未來有望在該研究領域取得更多新的進展和發現。

　　「小蜜蜂」因何如此優秀？

　　「天極」（POLAR）望遠鏡全稱為伽馬暴偏振探測儀，它是天宮二號空間實驗室上唯一一台搭載在艙外的中歐國際合作實驗項目。

　　「天極」望遠鏡結構上採用1600個探測單元組成40×40的探測器陣列。這個結構和蜜蜂的複眼非常相似，因此「天極」望遠鏡也獲得了一個可愛的昵稱，叫做「小蜜蜂」。它正是是利用這些敏銳的「眼睛」去探測來自宇宙深處的伽馬暴。

「小蜜蜂」捕獲伽馬暴的情景（示意圖）。圖片來源：中國科學院高能物理研究所

　　探測器材料採用密度低、原子序數低、機械和化學性能穩定的有機塑料閃爍體，有利於伽馬光子與探測器之間發生康普頓散射相互作用，從而更加有效地測量伽馬光子的偏振信息。

「天極」望遠鏡系統組成。左圖：偏振探測器OBOX右圖：電控箱IBOX。圖片來源：中國科學院高能物理研究所

「天極」望遠鏡系統組成。探測器單內部組成，「天極」望遠鏡內部共有25個這樣的探測器單體。圖片來源：中國科學院高能物理研究所

　　「天極」望遠鏡的幕後英雄，是天宮二號「天極」望遠鏡載荷分系統總體單位——中國科學院高能物理研究所。從二十世紀70年代末開始進行空間探測實驗，曾開展過多次高空科學氣球和球載硬X射線望遠鏡實驗，主持了多項空間探測實驗儀器的研製，負責和參加多個新的空間高能天文項目。

中國科學院高能物理研究所。拍攝者：Yuki

　　此次，高能所「天極」望遠鏡團隊攜手歐洲科學家一起攻堅克難，歷經十餘年的技術攻關和科學研究，最終攻克了伽馬暴偏振探測的難題，完成了在空間對伽馬暴進行的高精度、系統性的偏振觀測工作，在該研究領域取得了前所未有的進展，獲得了國際同行的高度評價。

　　接下來，他們還將進一步擴大國際合作，共同解讀「天極」望遠鏡提出的關於伽馬射線暴的全新科學問題，為最終解決黑洞的形成和極端相對論噴流產生做出關鍵性貢獻。

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