费米伽玛射线空间望远镜

李淼

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(《新发现》的专栏,勿转)

科学文明史上最重要的发明之一是望远镜,伽利略用望远镜发现了月亮上的环形山,发现了土星环。21世纪之前,人类将望远镜越造越大,看得也就越来越远,我们不仅看到了银河系中更多的天体,我们还发现在银河系之外还有更大的空间,有更多的星系,存在更多难以想象的不同的天体。中国正在建造的LAMOST将可以观测到上千万个星系。

人们在上个世纪建造了超出可见光波段范围的望远镜,先是在三十年代造出射电望远镜(频率低于可见光),然后在六十年代造出X射线望远镜(频率高于可见光),这些望远镜发现了更多的不同的天体。射电望远镜还帮助我们看到了宇宙微波背景辐射,从而提供了一个支持宇宙大爆炸最重要的证据。从X射线开始的更短波长的电磁波容易为大气吸收,必须借助人造卫星将探测器送到太空我们才能接收到天体发射出的射线。

最年轻的望远镜是伽玛射线望远镜。伽玛射线光子所携带的能量大于X射线的光子能量,范围是十万电子伏特以上,波长是百分之一纳米以下。美国在60年代发射的Vela卫星本来用于监视苏联的核试验,结果苏联人很老实,没有违反1963年和美国签订的部分禁止核爆的条约,Vela没有看到核爆,倒是看到了来自银河系外的伽玛暴。伽玛暴可以说是目前为止发射功率最大的天体,一颗伽玛暴大约在数秒之内将相当于整个太阳的质量完全转化为伽玛射线,除了宇宙大爆炸本身,伽玛暴是我们能看到的最强的爆发。一般认为,伽玛暴产生于重恒星死亡之后形成的黑洞。如果恒星很重,在燃烧完之前恒星的中心部分形成黑洞,黑洞之外形成吸积盘。旋转的吸积盘中的物质在被黑洞吞食的时候将两个喷注沿着旋转轴甩出来,产生速度接近光速的激波。当激波跑出恒星之外,就能形成伽玛射线。

在太空中,只有部分伽玛射线来自于伽玛暴。当带电的宇宙线轰击星际中的气体时,也会产生伽玛射线,宇宙线轰击产生的高能光子使得银河系的平面产生一个伽玛射线亮带。另外,脉冲星和活动星系的中心也会辐射伽玛射线。人们期待,充满宇宙间的暗物质粒子相互湮灭时同样会产生高能光子即伽玛射线。

前段时间,美国有一个专门用于探测伽玛暴的卫星天文台,叫做康普顿伽玛射线天文台。我们知道,美国的另一个著名的空间天文台是哈勃望远镜,康普顿天文台是继哈勃望远镜美国发射的另一个大型空间天文台。康普顿同学生前研究伽玛射线很有心得,所以这颗卫星以他命名。康普顿平均每天看到一颗伽玛暴。康普顿天文台在2000年六月完成使命返回地球。

从各方面来看,康普顿天文台的所能完成的科学任务极为有限,所以,从93年开始,美国航天局和能源部以及欧洲和日本的一些部门合作,计划发射一台能力更强的伽玛射线望远镜,这台望远镜的全称是伽玛射线大视场太空望远镜(Gamma-ray Large Area Space Telescope),简写为GLAST,经过整整十五年的准备,这台望远镜终于在今年6月11号被发射上天。GLAST每95分钟绕地球一周。说GLAST是望远镜其实并不准确,因为这颗天文卫星携带两台探测器,一台叫LAT,即大视场望远镜,能观测到光子的最高能量达到3千亿电子伏特,是康普顿望远镜的10倍。另一台叫GBM,即GLAST爆发监测器,这台探测器能够探测到的光子的能量要低得多,它的主要任务是探测伽玛暴。

GLAST的科学任务主要有三个:第一是揭开活动星系核、脉冲星和超新星加速粒子的机制,不论是活动星系核还是超新星都可能涉及到黑洞吞噬物质并吐出巨大的能量;第二是确定伽玛暴产生巨大能量的机制;第三是探测暗物质粒子,因为当暗物质粒子碰撞湮灭时,产生与这些粒子质量相当的光子。所以,这些高能光子的能量的确定将帮助我们确定暗物质粒子的质量。我们知道,宇宙中所有的能量绝大部分贮存在暗能量和暗物质之中,前者占宇宙能量的百分之七十五左右,后者占百分之二十左右。

其实,GLAST对伽玛暴的研究也许能够帮助我们研究暗能量的本质,不仅仅是暗物质。暗能量产生斥力,使得宇宙膨胀的速度越来越快。十年前,宇宙学家借助超新星发现了宇宙加速膨胀,但超新星有很大的局限,一来我们能够观测到的数目不够多,二来它们还不是最远的天体。为了更加精确地确定宇宙膨胀的历史和现在的加速度,我们需要更多和更远的天体,而许多伽玛暴恰恰是这样的天体。所以,我们期待GLAST在观测伽玛暴的同时能够更加精确地确定宇宙的膨胀历史。

在运行仅仅两个多月后,GLAST已经获得了很好的科学数据。美国能源部和航天局在8月26号联合举行了新闻发布会,公布了部分结果。例如,他们公布了一张伽玛射线全天图(上图),这张图仅仅是95个小时的观测结果,而过去的康普图天文台需要数年的时间才能绘制一张类似的图。这张图显示,和预计的一样,在银河系平面上有一条伽玛射线亮带。此外,还有四个亮点,其中三个是已知的脉冲星,第四个亮点是一个活动星系,距离我们有71亿光年那么远。在这个新闻发布会上,GLAST被重新命名为费米伽玛射线空间望远镜,以纪念首先提出宇宙线加速机制的物理学家费米。

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『注』 本文来自 博客李淼, 原文链接 http://limiao.net/986, 发表于 2008年8月29日 13:45:51。有 37 条评论。

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