文 / 葉楠

γ射線空間望遠(yuǎn)鏡（上）

在地球上，我們能感受到最強(qiáng)的電磁輻射來(lái)自于太陽(yáng)，地球的大氣層幫我們阻擋了來(lái)自宇宙中絕大部分γ射線、X射線等高能輻射，以及部分紅外和射電波。大氣只為我們打開(kāi)了兩扇“窗口”：一個(gè)允許可見(jiàn)光及部分紅外線通過(guò)，我們眼睛能夠感光的范圍就在這個(gè)窗口之中；另一個(gè)位于射電波段，為無(wú)線電通訊、人造衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)痊F(xiàn)代科技提供了可以實(shí)現(xiàn)的必要條件。我們的生活甚至生存都極大地依賴這兩個(gè)“窗口”的存在，試想，如果大氣無(wú)法阻擋高能輻射，那么地球可能會(huì)像其他行星一樣，不會(huì)有生命存在。但是另一方面，高能天體物理是現(xiàn)代天文學(xué)研究的一個(gè)重要方向，而在地球表面我們是無(wú)法得到來(lái)自于這些天體的輻射信息的。因此，我們必須把望遠(yuǎn)鏡放到天上去。

空間天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)代的開(kāi)始

20世紀(jì)60年代，帕洛瑪天文臺(tái)口徑5米的海爾望遠(yuǎn)鏡（左圖）是世界上最大、性能最好的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；射電天文學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展造就了當(dāng)時(shí)射電天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)：類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射；口徑達(dá)305米的阿雷西沃射電望遠(yuǎn)鏡（右圖）還在建造之中……此時(shí)，天文學(xué)家的目光卻早已對(duì)準(zhǔn)了天上，他們希望有一天，天文望遠(yuǎn)鏡可以漂浮于太空之中，那里沒(méi)有地球重力造成的鏡片形變，沒(méi)有地球自轉(zhuǎn)引起的白天黑夜，沒(méi)有地球大氣擾動(dòng)造成的成像扭曲。

空間望遠(yuǎn)鏡概念的提出

1946年，年僅32歲的美國(guó)天文學(xué)家小萊曼·斯皮策在一份報(bào)告中提出了將天文望遠(yuǎn)鏡置于太空之中的想法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。這對(duì)空間天文望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)發(fā)展影響是巨大的，包括哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的諸多空間望遠(yuǎn)鏡都參考了斯皮策的觀點(diǎn)。后來(lái)，美國(guó)宇航局在2003年發(fā)射的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡就是以他的名字命名的。1947年，斯皮策接替羅素成為普林斯頓大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，之后接任普林斯頓大學(xué)天文系主任直至退休。

γ射線

1900年，法國(guó)化學(xué)家和物理學(xué)家保羅·維拉爾利用陰極射線照射含有鐳的氯化鋇，照片記錄上發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的輻射穿透了厚度為0.2毫米的鉛箔。這一穿透能力極強(qiáng)的輻射后被命名為γ射線，是繼α射線、β射線之后人類發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線。1913年，γ射線被證明是電磁波，波長(zhǎng)小于0.02納米，是電磁波中波長(zhǎng)最短、能量最高的，其穿透特性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在天文學(xué)領(lǐng)域，γ射線一般來(lái)自于恒星內(nèi)部的核合成，以及高能天體物理現(xiàn)象，比如超新星、類星體、黑洞并合事件等都會(huì)發(fā)射大量γ射線。γ射線不同于可見(jiàn)光，不能利用光學(xué)透鏡去進(jìn)行匯聚成像，所以γ射線望遠(yuǎn)鏡在外形上與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡截然不同，更多的是利用γ射線與其他物質(zhì)作用后引起的電離現(xiàn)象進(jìn)行間接測(cè)量，一般稱之為閃爍探測(cè)器。上圖為模擬的γ射線暴現(xiàn)象。

范艾倫輻射帶

范艾倫輻射帶是在地球附近的近層空間中，由大量帶電粒子聚集而成的環(huán)狀輻射帶，由美國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·范·艾倫發(fā)現(xiàn)并命名。其粒子來(lái)源一般認(rèn)為是被地球磁場(chǎng)俘獲的太陽(yáng)風(fēng)粒子。由于和地球磁場(chǎng)有關(guān)，所以輻射帶在兩極地區(qū)更接近地表，也更容易觀測(cè)到極光。而在赤道地區(qū)輻射帶較高，一般情況下在500公里至10萬(wàn)公里之間。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，其高度可能會(huì)被壓縮至海拔200公里高度。范艾倫輻射帶主要由兩個(gè)條帶組成，內(nèi)外層之間有明顯的縫隙。對(duì)于人造衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，范艾倫輻射帶的影響是巨大的，會(huì)干擾諸多儀器的正常運(yùn)行，甚至?xí)斐蓳p壞。所以衛(wèi)星軌道高度的選擇，以及在太陽(yáng)活動(dòng)高峰期對(duì)儀器的保護(hù)都是要提前考慮到的。

探險(xiǎn)者11號(hào)衛(wèi)星

美國(guó)的探險(xiǎn)者11號(hào)衛(wèi)星（上圖）是世界上第一個(gè)配備了γ射線望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星，標(biāo)志著γ射線天文學(xué)的開(kāi)端。1961年4月27日，“探險(xiǎn)者11號(hào)”由朱諾Ⅱ型火箭發(fā)射升空（下圖），軌道高度300公里×1100公里。它攜帶有夾層閃爍探測(cè)器和切倫科夫計(jì)數(shù)器，用來(lái)測(cè)量高能γ射線的能量和來(lái)源方向。但由于入軌高度高于計(jì)劃的軌道高度，“探險(xiǎn)者11號(hào)”受到了范艾倫輻射帶的干擾，7個(gè)月間只有141個(gè)小時(shí)的有效觀測(cè)時(shí)段，直到11月17日，“探險(xiǎn)者11號(hào)”才第一次，同時(shí)也是最后一次傳回?cái)?shù)據(jù)，它一共探測(cè)到了22次γ射線事件。

質(zhì)子號(hào)衛(wèi)星

1965年7月16日，蘇聯(lián)的質(zhì)子1號(hào)衛(wèi)星成功升空，進(jìn)入183公里×589公里的繞地軌道，在軌時(shí)間接近3個(gè)月。質(zhì)子1號(hào)衛(wèi)星由切洛梅設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)制造，目標(biāo)是對(duì)空間高能粒子進(jìn)行探測(cè)研究。此后至1968年的3年間，蘇聯(lián)又陸續(xù)發(fā)射了3顆質(zhì)子號(hào)衛(wèi)星，最后1顆為“質(zhì)子4號(hào)”，它的在軌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)250天。質(zhì)子號(hào)高能粒子探測(cè)任務(wù)于1969年全部結(jié)束，但“質(zhì)子號(hào)”的名字卻繼承了下來(lái)，未來(lái)的質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭，其知名度遠(yuǎn)遠(yuǎn)蓋過(guò)了質(zhì)子號(hào)衛(wèi)星。

小型天文衛(wèi)星2號(hào)

小型天文衛(wèi)星2號(hào)也被稱為SAS-2或者探險(xiǎn)者48號(hào)，是美國(guó)宇航局的一臺(tái)γ射線望遠(yuǎn)鏡，1972年11月15日從位于肯尼亞馬林迪海岸外的圣馬可發(fā)射平臺(tái)升空，進(jìn)入443公里×632公里的近赤道軌道。SAS-2整體呈圓柱形，直徑為59厘米、高135厘米，有4個(gè)太陽(yáng)能電池板。SAS-2主要目標(biāo)是探測(cè)能量范圍在20MeV至300MeV之間的來(lái)自于銀河系及河外星系的γ射線輻射的空間和能量分布。探測(cè)儀器由一臺(tái)閃爍探測(cè)器、一臺(tái)火花室以及一臺(tái)帶電粒子探測(cè)望遠(yuǎn)鏡組成。SAS-2正常運(yùn)行到1973年6月8日，它最大的發(fā)現(xiàn)是杰敏卡γ射線源。

杰敏卡γ射線源

杰敏卡γ射線源的英文名為Geminga，由其所在星座雙子座Gemini和γ射線源gamma-raysource兩個(gè)詞組合而成?！敖苊艨ā本嚯x我們約815光年，在SAS-2發(fā)現(xiàn)它之后的20年里尚無(wú)法得知它到底是什么天體，直到1991年，ROSAT衛(wèi)星探測(cè)到了它在軟X射線波段具有0.237秒的輻射周期，證明它是一顆中子星，是大約30萬(wàn)年前一顆大質(zhì)量恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后核心坍縮而成。圖為“杰敏卡”相對(duì)于銀道坐標(biāo)的位置。

COS-B衛(wèi)星

COS-B衛(wèi)星是歐洲航天研究組織的第一個(gè)宇宙γ射線源研究項(xiàng)目，于20世紀(jì)60年代中期提出，并于1969年得到批準(zhǔn)。COS-B衛(wèi)星于1975年8月9日從范登堡空軍基地由德?tīng)査?913火箭發(fā)射升空。該衛(wèi)星共在軌運(yùn)行了6年多，超出計(jì)劃4年，使天體的γ射線數(shù)據(jù)量增加了25倍。COS-B衛(wèi)星的探測(cè)能量范圍在70MeV至5GeV之間，其科學(xué)成果被總結(jié)為2CG星表，其中包括25個(gè)γ射線源。根據(jù)其成果還繪制了銀河系的γ射線輻射圖。

HEAO-3天文臺(tái)

HEAO-3天文臺(tái)是美國(guó)宇航局高能天文觀測(cè)臺(tái)3個(gè)探測(cè)器中的最后1個(gè)，前兩個(gè)都是以X射線為主要觀測(cè)波 段。“HEAO-3” 于 1979年 9月20日從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，軌道高度486公里×505公里，傾角43.6°，公轉(zhuǎn)周期為94.5分鐘?！癏EAO-3”的主要工作模式是巡天觀測(cè)，約20分鐘自轉(zhuǎn)一周，自轉(zhuǎn)軸指向太陽(yáng)?！癏EAO-3”攜帶的探測(cè)器名為“C-1”，可以在硬X射線和低能γ射線波段工作，目標(biāo)是尋找來(lái)自于恒星、星系及星際介質(zhì)中正電子湮沒(méi)產(chǎn)生的能量為511keV的γ射線輻射，星際介質(zhì)中宇宙線相互作用產(chǎn)生的γ射線輻射等?！癏EAO-3”運(yùn)行至1981年12月7日。