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        圖解空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展史

        2020-05-19 00:57:34葉楠
        太空探索 2020年5期
        關(guān)鍵詞:康普頓天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡

        文 / 葉楠

        γ射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡(下)

        γ衛(wèi)星

        γ衛(wèi)星是蘇聯(lián)和法國(guó)聯(lián)合研制的一臺(tái)γ射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡,于1990年7月11日發(fā)射進(jìn)入高375公里、傾角51.6度的地球軌道。早在1965年,蘇聯(lián)就提出了搭載于空間站上的γ射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃,其間幾經(jīng)波折,項(xiàng)目最終于1979年獲得授權(quán),原計(jì)劃于1984年發(fā)射,但最終推遲到了1990年。γ衛(wèi)星共搭載了3臺(tái)γ射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡:γ射線(xiàn)-1,探測(cè)波段50MeV~6GeV;盤(pán)-M,探測(cè)波段20keV~5MeV;脈沖星X-2,探測(cè)波段2~25keV。γ衛(wèi)星運(yùn)行了一年半的時(shí)間,對(duì)銀河系中心、天鵝座X-1、武仙座X-1、蟹狀星云等進(jìn)行了觀測(cè),還對(duì)處于活動(dòng)高峰期時(shí)的太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

        康普頓γ射線(xiàn)天文臺(tái)

        阿瑟·康普頓(1892—1962)是美國(guó)物理學(xué)家(左圖),1923年,康普頓發(fā)現(xiàn)當(dāng)X射線(xiàn)或γ射線(xiàn)與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用后,因能量損失會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象,這一發(fā)現(xiàn)后被稱(chēng)為康普頓效應(yīng),是對(duì)電磁波具有粒子性的有力證明。因這一發(fā)現(xiàn)康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

        以他的名字命名的康普頓γ射線(xiàn)天文臺(tái)(CGRO)(右圖)是美國(guó)“大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃”四臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡之一,其他三臺(tái)分別是:哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡。CGRO于1991年4月5日從肯尼迪航天中心由阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)送入軌道,整個(gè)發(fā)射質(zhì)量達(dá)到17噸,是當(dāng)時(shí)最重的空間天文儀器載荷。CGRO攜帶的4臺(tái)探測(cè)器可以覆蓋能量范圍從20keV至30GeV的X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)波段。CGRO一直工作至2000年,9年間它完成了第一次能量在100MeV以上的巡天觀測(cè),發(fā)現(xiàn)了271個(gè)新的射線(xiàn)源,共發(fā)現(xiàn)近2700次γ射線(xiàn)暴事件。但令人奇怪的是,在鄰近星系幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)γ射線(xiàn)暴事件,都是來(lái)自于更加遙遠(yuǎn)的星系。

        GRB 990123

        1999年1月23日,CGRO記錄到了一個(gè)強(qiáng)大的γ射線(xiàn)暴事件GRB 990123,整個(gè)過(guò)程持續(xù)了約90秒,在第25秒和40秒出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的峰值爆發(fā),在8分鐘以后,輻射強(qiáng)度下降至峰值的百分之一。GRB 990123能夠排名當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)所有γ射線(xiàn)暴強(qiáng)度的前2%。在CGRO發(fā)現(xiàn)此次事件之后,天文學(xué)家使用位于美國(guó)新墨西哥州的ROTSE-1光學(xué)望遠(yuǎn)鏡迅速對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),在第22秒開(kāi)始拍下目標(biāo)的光學(xué)照片,其光學(xué)對(duì)應(yīng)體從18等迅速增加到9等,光度增加約4000倍。第二天,位于夏威夷莫納克亞山的凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝到了它變暗后的影像,此時(shí)已經(jīng)降低到20等,通過(guò)光譜分析發(fā)現(xiàn)紅移為1.6,可推算出距離約為90億光年。這是人類(lèi)第一次同時(shí)記錄到γ射線(xiàn)暴與其光學(xué)對(duì)應(yīng)體的亮度變化。

        高能暫現(xiàn)源探測(cè)器2號(hào)

        高能暫現(xiàn)源探測(cè)器2號(hào)(HETE-2)又名探險(xiǎn)者79號(hào)(左圖),在它之前,HETE-1在1996年發(fā)射升空后由于爆炸螺栓問(wèn)題未與火箭脫離而失敗。HETE-2于2000年10月9日由飛馬座空射型運(yùn)載火箭(右圖)成功送入軌道,這是一顆非常小巧的衛(wèi)星,發(fā)射質(zhì)量只有124千克。HETE-2上裝載有紫外、X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)探測(cè)器,其主要工作是對(duì)γ射線(xiàn)暴進(jìn)行多波段觀測(cè)。它的定位精度達(dá)到了10角秒,還擁有一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以快速調(diào)用地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光學(xué)和紅外波段的觀測(cè)。HETE-2有許多新的發(fā)現(xiàn):GRB 030329的發(fā)現(xiàn)將γ射線(xiàn)暴同超新星爆發(fā)緊密聯(lián)系在了一起;GRB 050709是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)具有光學(xué)對(duì)應(yīng)體的短γ射線(xiàn)暴。

        國(guó)際γ射線(xiàn)天體物理實(shí)驗(yàn)室

        國(guó)際γ射線(xiàn)天體物理實(shí)驗(yàn)室(INTEGRAL)是歐空局、俄羅斯航天局和美國(guó)宇航局共同合作的一項(xiàng)γ射線(xiàn)探測(cè)任務(wù)。2002年,INTEGRAL從拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)由質(zhì)子-K型火箭送入太空,這是歐空局歷史上發(fā)射過(guò)的質(zhì)量最大的科學(xué)載荷,達(dá)到了4噸。INTEGRAL的軌道高度為6300公里×157000公里,具有很高的偏心率。INGEGRAL主要攜帶有6套科學(xué)儀器:星載成像儀可對(duì)能量范圍從15keV的硬X射線(xiàn)至10MeV的γ射線(xiàn)進(jìn)行觀測(cè),角分辨率為12角分;光譜儀可探測(cè)到20keV至8MeV的輻射;γ射線(xiàn)暴探測(cè)器;X射線(xiàn)探測(cè)器;光學(xué)監(jiān)視器;輻射監(jiān)視器。INTEGRAL的觀測(cè)靈敏度是當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的,時(shí)至今日,它還擁有足夠的能量在繼續(xù)服役。期待它有更多的發(fā)現(xiàn)。

        格雷爾斯雨燕天文臺(tái)

        格雷爾斯雨燕天文臺(tái)(Swift)(左圖)是美國(guó)、英國(guó)及意大利合作的一項(xiàng)以γ射線(xiàn)暴為主要探測(cè)目標(biāo)的空間探測(cè)任務(wù)。Swift攜帶有三套主要的觀測(cè)儀器,分別可以在γ射線(xiàn)波段、X射線(xiàn)波段以及紫外/光學(xué)波段進(jìn)行觀測(cè)。右圖為Swift在紫外/光學(xué)波段拍攝的第一張照片,照片里的天體為俗稱(chēng)風(fēng)車(chē)星系的M101。當(dāng)在巡天觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)疑似γ射線(xiàn)暴時(shí),Swift可以迅速的將三套設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)也可以迅速傳回地面,以便其他地基天文臺(tái)進(jìn)行配合觀測(cè),這種“迅速”與“Swift”所代表的涵義之一有共通之處,而“格雷爾斯”這個(gè)名字是在2018年1月加上的,為了紀(jì)念于2017年去世的Swift首席科學(xué)家尼爾·格雷爾斯。

        第1000個(gè)γ射線(xiàn)暴

        Swift于2004年11月20日發(fā)射升空,計(jì)劃運(yùn)行2年時(shí)間。從2005年2月它公布了首個(gè)發(fā)現(xiàn)開(kāi)始,Swift取得了豐碩的觀測(cè)成果:它發(fā)現(xiàn)過(guò)紅移高達(dá)6.29的GRB 050904;爆發(fā)持續(xù)超過(guò)2000秒的GRB 060218;距離超過(guò)131億光年的GRB 090429B等等。到2015年10月,距離升空11年后,Swift發(fā)現(xiàn)了GRB 151027B(左圖),這是它發(fā)現(xiàn)的第1000個(gè)γ射線(xiàn)暴。時(shí)至今日,它依舊在560公里高度軌道上繼續(xù)服役,可以說(shuō)在所有在軌的γ射線(xiàn)空間天文臺(tái)之中,Swift是工作時(shí)間最長(zhǎng)、成果最為豐碩的一個(gè)。右圖為Swift當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的1000個(gè)γ射線(xiàn)暴相對(duì)銀道面分布圖。

        敏捷號(hào)γ射線(xiàn)天文衛(wèi)星

        敏捷號(hào)γ射線(xiàn)天文衛(wèi)星(AGILE)是意大利航天局的一顆X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)天文衛(wèi)星。2007年4月23日,AGILE從位于印度的薩迪什·達(dá)萬(wàn)航天中心發(fā)射升空,軌道高度533公里×509公里,傾角只有2.47度,周期94.9分鐘。AGILE是一個(gè)邊長(zhǎng)只有60厘米左右的六邊形立方體,重約100千克,是有史以來(lái)最小巧的空間高能天體物理探測(cè)設(shè)備。AGILE具有出色的探測(cè)和成像能力,整個(gè)任務(wù)期間,發(fā)現(xiàn)了來(lái)自于天鵝座X-3的γ射線(xiàn)輻射;探測(cè)到來(lái)自于蟹狀星云會(huì)產(chǎn)生變化的γ射線(xiàn)輻射;對(duì)粒子加速理論模型提出了新的挑戰(zhàn)。它還首次從超大質(zhì)量黑洞3C 454.3中發(fā)現(xiàn)γ射線(xiàn)耀斑,并對(duì)黑洞馬卡良421進(jìn)行了X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)波段的聯(lián)合觀測(cè)。AGILE的快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以在3到3.5小時(shí)內(nèi)生成警報(bào),是世界上最快的γ射線(xiàn)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)。

        費(fèi)米γ射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡

        費(fèi) 米γ射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡(FGST)(上圖)于2008年6月11日發(fā)射升空,是由美國(guó)宇航局、美國(guó)能源部、法國(guó)、德國(guó)、意大利、日本和瑞典共同合作的一項(xiàng)太空任務(wù),是 繼INTEGRAL之后最敏感的γ射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡。FGST主要攜帶有兩套科學(xué)儀器:大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡能夠同時(shí)對(duì)整個(gè)天空面積的20%金星γ射線(xiàn)探測(cè),探測(cè)能量范圍在20MeV至300GeV之間;γ射線(xiàn)寶監(jiān)測(cè)儀由14個(gè)閃爍探測(cè)器構(gòu)成,用來(lái)監(jiān)測(cè)8keV至1MeV能量范圍內(nèi)的γ射線(xiàn)暴。下圖是FGST從2009年至2013年間繪制的強(qiáng)于1GeV的γ射線(xiàn)輻射空間分布圖。

        FGST的新發(fā)現(xiàn)

        2010年11月,F(xiàn)GST在銀河系附近發(fā)現(xiàn)兩個(gè)發(fā)出γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)的氣泡,后被命名為費(fèi)米氣泡,分別位于銀河系中心上下側(cè),相對(duì)銀心最遠(yuǎn)延伸25000光年。2012年,觀測(cè)到有史以來(lái)來(lái)自于太陽(yáng)耀斑的最強(qiáng)γ射線(xiàn)輻射,其能量是可見(jiàn)光的20億倍,約40GeV。2013年4月,F(xiàn)GST探測(cè)到GRB 1130427A,能量達(dá)到940GeV,是迄今為止最強(qiáng)的γ射線(xiàn)暴,超過(guò)之前的最高紀(jì)錄3倍。2015年,當(dāng)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)發(fā)現(xiàn)由兩個(gè)黑洞并合引發(fā)的引力波事件GW150914時(shí),F(xiàn)GST在引力波事件0.4秒后探測(cè)到50keV的弱γ射線(xiàn)爆發(fā),其來(lái)源天區(qū)與GW150914重合,但尚無(wú)明確的證據(jù)證明此次γ射線(xiàn)爆發(fā)與GW150914有直接關(guān)系。

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