“天極”望遠鏡的設計原理圖。左：偏振探測器；右：電控箱

“天極”望遠鏡的實物圖。左：偏振探測器；右：電控箱

“它就是一只‘小蜜蜂’?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T、天極伽馬暴偏振探測儀項目首席科學家張雙南這樣形容自己團隊的作品——“天極”望遠鏡。

這只“小蜜蜂”不是普通的光學望遠鏡，它是目前國際上最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，也是天宮二號空間實驗室搭載的實驗中唯一的國際合作項目。

張雙南告訴《中國科學報》記者，“天極”獲得的數(shù)據(jù)將有助于人類理解黑洞和中子星合并、太陽極端爆發(fā)等天體現(xiàn)象，從而了解宇宙如何演變，檢驗愛因斯坦的廣義相對論。

天文學的新軌道

電磁波按波長從長到短，分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、x射線和伽馬射線等。伽馬射線波長最短、能量最強，其能量比可見光大幾十萬倍。

100年前，愛因斯坦預測了引力波的存在。今年2月11日，人類首次直接探測到引力波。據(jù)悉，這次引力波是由兩個黑洞合并后產生，其虧損的質量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經過13億年的漫長旅行，終于抵達地球。

張雙南表示，今后還可能觀測兩個中子星合并或者黑洞和中子星的合并，在產生引力波的過程中也可能產生伽馬射線暴（簡稱“伽馬暴”）。

宇宙中的伽馬暴來源于恒星坍塌時發(fā)生的劇烈爆炸，恒星中的物質以近乎光速噴出，形成射線暴，其亮度超過全宇宙其他天體的總和，輻射能量與太陽一生（百億年）的總能量相當。

從1973年公布發(fā)現(xiàn)以來，伽馬暴的起源及物理過程一直是天文學和物理學中活躍的前沿領域。1997年至今，伽馬暴的觀測研究4次被《科學》雜志評為年度世界十大科技成就之一。

不過，在對伽馬暴的研究中，人類卻碰到了釘子。宇宙天體產生的伽馬射線光子具有四方面信息：到達時間、能量、方向和偏振?？茖W家在前三個方面都已有成熟的探測方法，但由于儀器能力有限，國際上迄今還沒有任何一個測量結果達到了科學意義上的確認程度

“伽馬射線的偏振信號主要反映了產生區(qū)域的物質幾何和磁場結構，有助于人類理解相對論噴流的產生機制?！睆堧p南說，望遠鏡和探測器是天文學這輛火車的車頭，伽馬射線暴偏振探測是行進路上的一條新鐵軌，通過它，火車可以看到以前沒有領略過的風景，為伽馬暴研究打開新窗口，而“天極”望遠鏡的主要科學目標正是高精度、系統(tǒng)性測量伽馬暴的偏振性質。

偏愛伽馬暴的“小蜜蜂”

“天極”望遠鏡的全稱是“天極”伽馬暴偏振探測儀（polar）。張雙南告訴記者，“天極”代表“天體的極化”，而“極化”和“偏振”在英語中對應同一個詞polarization，因此“天極”望遠鏡又簡稱polar。

“天極”由中國科學院高能物理研究所牽頭，瑞士日內瓦大學、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位參加研制。其中，偏振探測器將安裝于天宮二號空間實驗室的艙外，背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發(fā)過程中產生的伽馬光子，并測量它們的偏振性質。

張雙南之所以將“天極”望遠鏡稱為“偏愛伽馬暴的‘小蜜蜂’”，原因有二。首先，“天極”在構造上與蜜蜂的復眼有異曲同工之妙。

人眼是無法分辨光的偏振狀態(tài)的，但某些昆蟲卻很敏感。比如蜜蜂有三只單眼、兩只復眼，每個復眼包含6300個小眼，這些小眼能根據(jù)太陽的偏振光確定太陽的方位。而“天極”望遠鏡采用1600根塑料閃爍棒（伽馬射線在該塑料材料中可誘發(fā)熒光）組成一個探測器陣列，通過測量每個伽馬射線光子同時作用的多根塑料閃爍棒的位置分布獲取偏振信息。

其次，由于伽馬暴是不可預測、隨機發(fā)生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽馬暴，“天極”望遠鏡將在允許的情況下盡量多地開機運行，猶如蜜蜂一樣不知疲倦地工作。“具體成果還取決于儀器運行情況和屆時天體的活動情況?！睆堧p南說。

據(jù)介紹，預期運行兩年“天極”可以探測到大約100個伽馬射線暴，雖然數(shù)量上不是最多，但“天極”能夠獲得高精度伽馬射線偏振測量的最大樣本。

同時，張雙南表示，在天宮二號運行期間，“天極”會對其他天體和爆發(fā)現(xiàn)象的伽馬射線的偏振進行測量，如中子星和太陽耀斑產生的伽馬射線，將有助于人類理解中子星的磁場結構和太陽極端爆發(fā)的現(xiàn)象。