GLAST:美国海军实验室的新年礼物

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既然在NASA的介绍里,GLAST被比喻成了美国海军实验室收到的节日厚礼,本人也不妨再用一下这个比喻。今年万圣节前后,当GLAST初到该实验室准备做整体测试的时候,确实是象礼物一般包装得漂漂亮亮的,也确实是象礼物一样让众人充满希望并且迫不及待。不过于我来说,这份礼物意味着:要抓紧时间突击伽玛暴高能辐射的理论了,最好能赶在它发射之前做些东西……</>GLAST:美国海军实验室的新年礼物初到美国海军实验室的GLAST。(图片提供:NRL)GLAST:美国海军实验室的新年礼物自从大四定下研究生的学习方向以来,GLAST这个名字就开始不绝于耳,无数次小组讨论和报告都会提到它,更不要说那林林总总的长短文献。在伽玛暴研究的圈子里,对GLAST的期待并不亚于早年的BeppoSAX、HETE-2与雨燕。于是自己也就如法炮制,在本科毕业论文中煞有介事地作了番GLAST时代的展望。GLAST是伽玛射线天文卫星,作为康普顿天文台的后续设备,计划肇始于1993年。GLAST原名大面积硅片伽玛望远镜(Gamma Large Area Silicon Telescope),现在的全称是伽玛射线大面积空间望远镜(Gamma-ray Large Area Space Telescope)。它的亮点在于高能段伽玛射线波段的全天域连续成象观测:主力设备大面积望远镜(LAT)的能谱范围20 MeV至300 GeV。当年康普顿天文台的高能探测器EGRET探测上限不过是30 GeV,灵敏度也只有LAT的1/30不足。单听名字,GLAST就很有爆发的感觉。事实上,它相当一部分的研究对象正是爆发现象,伽玛暴自然是当仁不让地打头炮了。GLAST专门为伽玛暴的观测准备了闪烁晶体制成的爆发监视器(GBM),主要在能谱较软(低至8-10 keV,高端与LAT重叠)的波段上工作,用作卫星的触发设备,兼以提供爆发位置和谱信息,并实时将这些数据传回地面。预计GBM每年可探测200余次爆发。GLAST:美国海军实验室的新年礼物GLAST的口号号称“探索极端宇宙”。NASA为它定下的科学目标是:1、探测宇宙的终极前沿,自然界在这里驾御着远远超越地球的力量与能量;
2、探索最深刻的科学问题,如宇宙的成分,并搜寻新的物理定律;
3、解释黑洞将喷流物质加速到接近光速的机制;
4、协助破译惊天爆发即伽玛暴的谜团;
5、回答大量领域中持久存在的问题,如太阳耀斑、脉冲星和宇宙线的起源。本人对其他方面的了解并不很多,伽玛暴现今的极高能段探测倒是少而又少,除了EGRET记录的几十个爆发和地面切伦科夫望远镜的少量工作,但前者疑问重重,后者又只能对TeV光子进行探测。关于高能辐射的行为,倒是有颇多的理论来讨论,有重子主导,也有轻子主导,辐射的起源位置几乎是内外正反激波的排列组合,换句话说那是相当的不确定,由此又牵涉到了大质量恒星的死亡过程、组分、中心能源等诸多问题。好在不同的理论对高能余辉有着不同的预言,GLAST解决理论难题的能力也就被众多业内人士寄予厚望。不过针对伽玛暴的观测,GLAST有一点不足:由于其能量阈值是以积分形式给出的,对于短暴来说,虽然其瞬间辐射能量不小,但由于时标较短,积分流量并不大,很可能不会被探测到。还有物理学家期待着GLAST能凭借伽玛暴探测到不同波段光子到达的时间差,这是量子引力的预言,关乎普朗克长度下的时空结构,只是效应针对极高能的光子才会明显。虽然不论是理论还是观测方法上都存在不少的疑问与难点,相关文献却是已经有了不少。至于X射线乃至更低能段的爆发余辉,那是雨燕与地面望远镜的天下,GLAST并不过问。凭借伽玛暴坐标定位网,联测还是颇有可能的。就个人来说,还有一个颇感意外的地方:太阳耀斑,因为之前本人对此的了解少而又少。GLAST算是通用的天文卫星,而由于亮度和视面积等原因,一般情况下,对太阳的观测是用专门的卫星专用的探测器完成的,倘或把哈勃之类的空间望远镜对准太阳,等待它的基本就是严重受损甚至相机报废了。GLAST计划研究耀斑的背景是,EGRET曾经观测过来自太阳的GeV辐射,RHESSI也在能量更低的波段上探测到了耀斑辐射。这样的现象有望追溯耀斑电子的加速机理。同时,第24个太阳活动周即将开始,到时候也只有GLAST有能力探测GeV光子。估计是因为太阳的甚高能辐射与其他天体相比也不算太强吧,否则GLAST如何能禁受得住呢……其他的观测对象可以算是康普顿的延续,有活动星系核、超新星遗迹、中子星、伽玛射线背景辐射和点源等等,外加早期宇宙和暗物质湮灭的探测。主力探测器LAT的本体很重,足足有2吨半还多,是利用的是对产生原理设计的,与其说它是伽玛射线望远镜,倒不如说是粒子探测器。16组钨制探测器按4*4排列成方阵,一旦有高能伽玛光子射入,会产生对应能量的正反基本粒子对。与钨层交替排列的多层硅探测器可以通过追踪粒子的轨迹来确定光子的源头,光子能量则用碘化铯量能器测出的粒子对能量来反推。LAT之外,另设有用于隔离宇宙线粒子的反符合探测器(Anticoincidence Detector),可以过滤99.9%以上的干扰信号。结合量能器的筛选以及星载计算机系统的分析,基本可以排除带电宇宙线粒子的干扰。GLAST:美国海军实验室的新年礼物LAT的16组探测器,每组包括钨探测器、追踪器和量能器,下方另有数据采集系统。(图片提供:SLAC)</p

LAT的视场超过2立体角,相当于全天4π立体角的1/5。巡天工作时,LAT只消两个轨道周期就可以扫过整个天空,精度优于1角分。对于高能伽玛射线来说,这一数字已是相当不易了。由此,GLAST也可以为康普顿时代发现的伽玛射线源进行重新定位,更好地揭示其本质。GLAST:美国海军实验室的新年礼物左图是测试中的GBM(图片提供:NASA/MSFC/D. Higginbotham),由朝向不同的12个盘状碘化钠晶体(8 keV至1 MeV)与2个锗化铋晶体(150 keV至30 MeV)组成,覆盖视场更大(约8立体角),几乎是没有被地球遮挡的全部天区。GBM对准的天区位于LAT视场的背面,只要有4个低能探测器记下信号,源区即可被定位,精度虽然逊于雨燕卫星的触发器BAT,但也有3度左右。对于大视场的LAT来说,这一数字也够用了。除了伽玛暴,其他瞬变源包括耀斑的探测也要依靠GBM,卫星本体会在接到触发信号之后自动转向。LAT也可以触发自身,不过GBM可以起到很好的补充作用,也让GLAST的工作波段大大扩展。GLAST的发射算是整个2008年本人最为期待的事情了,只是具体时间经过一再拖延,现在是排到了春末夏初的时候,运载火箭为德尔他II型,轨道与雨燕类似,是高度500余千米的近圆轨道,可以尽量避开带电粒子的影响。升空后卫星要先经过2个月的测试与调整,预计3个月后正式公布第一批结果。当下NASA的计划是,GLAST触发十秒之内,伽玛暴坐标定位网就可以接收到坐标信息,以便及时安排后续观测。同时GLAST并不意味着地基切伦科夫望远镜的终点,毕竟只有后者才能探测GLAST的能量上限之上的光子。而GLAST又可以作为桥梁,衔接更低能段的雨燕等卫星和高能切伦科夫镜的数据,完善天体的全波段信息。希望到时候能有机会参与GLAST的数据处理工作,莫要说我在做白日梦,现在还有半年多的时间可以进行理论和软件方面的准备呢……GLAST:美国海军实验室的新年礼物GLAST一年巡天的模拟图。(图片提供:LAT Team)内容来自 Bo Zhang's Homepage

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