GeV天文学小史

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GeV伽玛射线应该算是需要在太空研究的电磁辐射最高能段了。对于能量更高的TeV光子来说,由于流量低且可以发生大气簇射,通常是使用地面切伦科夫望远镜进行观测的。GeV天文学往往与最剧烈最极端的天体活动相关,意义不言自明。不过可能是由于高能伽玛射线探测器的重量以及技术难度的原因,携带有专门的GeV观测仪器的天文卫星并不很多。尽管如此,这几颗卫星还是获取了丰硕的成果,将宇宙最狂暴的一面展现在众人面前。OSO-3:初探全天如其名所示,1967年3月发射的OSO-3(轨道太阳观测站3号)首要的目的是研究太阳,其上携带有观测太阳用的极紫外光谱仪、伽玛射线望远镜以及X射线离子室,还有用于研究近地空间的热辐射计、方位辐射计以及地球反照率计。不过与众多早期天文卫星一样,OSO-3在研究太阳之外还兼有窥探深空的任务,因此又搭载了高能伽玛射线探测器、X射线探测器以及宇宙线能谱探测器。OSO系列的卫星大抵由太阳能帆板和转轮两部分组成,后者用于边旋转边保持卫星稳定性,包括伽玛射线探测器在内的巡天仪器即搭载于此。结合卫星的运转策略,每6个月探测器就可以完成一次巡天。GeV天文学小史OSO-3的外观。(图片提供:NASA’s HEASARC)这台伽玛射线探测器是由麻省理工学院主持的,属于计数器望远镜结构,由碘化铯和塑料多层闪烁体、有机玻璃切伦科夫式方向计数器以及碘化钠能量探测器组成,可以观测能量大于50 MeV的伽玛光子。这种仪器史上共建造了三台。第一台搭载在1965年发射的OSO-E上,不过这颗卫星没能抵达预定轨道。第二台就是OSO-3的载荷。最后一台则用于地面的调整测试,没有升空。1968年7月OSO-3的第二台星载磁带记录机发生损坏之前,高能伽玛射线仪器记录下了621次能量高于50 MeV的宇宙伽玛射线事件,它们来自全天各处。但是这些伽玛光子的分布高度不均匀,与银道和银心成协,这证实了之前探险者11号卫星(同时也是第一颗伽玛射线天文卫星)以及一系列气球望远镜的观测。更重要的是,来自高银纬区域的伽玛光子能谱明显偏软,不过银心与银道上的光子能谱基本一致。这说明这二者是起源于不同区域的,高银纬光子可能是河外起源。不过OSO-3并没有发现明显的伽玛射线点源。由此全天的伽玛射线辐射可以分为河外、银盘以及银心三大组分。GeV天文学小史OSO-3的高能伽玛射线探测器记录下的伽玛光子事件。(图片来源:Kraushaar et al. 1972)在伽玛射线的天空之外,OSO-3还在1969年11月最终退役之前观测了宇宙X射线背景,并发现了天蝎X-1的耀发,这也是天文卫星第一次发现系外X射线源。虽然名义上是太阳卫星,其最重要的成果却是在太阳系之外,颇有名不副实的味道。当然,它还对太阳耀斑活动进行了系统监测,只是至少就本人看来,这一点在系外发现的光芒照耀之下显得不是那么吸引人了。SAS-2:发现高能珍宝NASA在1972年11月发射的SAS-2(小型天文卫星2号)主要任务就是在 20 MeV到1 GeV的能段上观测天空河内外的伽玛射线辐射分布。由于伽玛射线探测器的分量以及卫星本身的体积限制,这颗卫星只搭载了一台主要仪器——32级火花室,它的轴向与卫星自转轴平行,另外还辅以闪烁体探测器。卫星大约每周改变一次观测天区,视场约为30度。GeV天文学小史SAS-2的外观。(图片来源:Wikipedia)火花室是一种根据电子对的产生来示踪高能光子的仪器。能量足够高的光子照射到仪器上,若入射角度合适,则可以转化为正负电子对。随后电子对穿过加有高电压的气体容器,一路让气体电离引燃火花,根据火花的路径就可以反推出光子的入射角度。最后电子对被仪器下方的量能器吸收并确定出能量。除了SAS-2,后世的很多GeV仪器都是采用了类似的结构。SAS-2很短命,第二年6月就因为低压供电线路故障而不得不早早结束了科学观测任务,不过它在短短7个月的时间里取得的成果却相当耀眼。其中最出名的发现当属Geminga,它是全天第二亮的伽玛射线源,堪称高能天空的一大标志。此外船帆脉冲星与蟹云脉冲星这两颗著名的伽玛射线脉冲星也是SAS-2的战果。在弥漫辐射方面,SAS-2最早确认了弥漫整个宇宙的伽玛射线背景辐射。这种辐射的谱形并非由单一幂律的X射线辐射平滑延伸而来,而是存在先上升再下降的趋势,与宇宙历史上中性π介子衰变产生的高能光子谱等若干宇宙学起源理论相符。它还发现了河内伽玛射线辐射的南北不对称性,后来这一现象被归结为古德带内恒星的作用。COS-B:编目高能宇宙COS-B(宇宙线卫星B)是欧洲空间局的前身——欧洲空间研究组织(ESRO)的第一颗伽玛射线天文卫星,堪称史上最成功的科学卫星之一。与SAS-2一样,它的主要仪器也是结构相对简单的火花室。它也是GeV天文卫星中第一颗在大偏心率椭圆轨道上运行的,远地点高度达到了10万千米,这样做目的是为了尽量避开地球周围范艾伦辐射带的影响(作为比较,OSO-3与SAS-2的近远地点高度都是数百千米)。毕竟几年前有欧洲发射的TD-1卫星由于太阳同步轨道周围的环境辐射较强,导致搭载的伽玛射线仪器无法发挥应有作用先例,哪怕在60年代任务提出阶段还没有考虑到这一点,COS-B在1975年发射时也没有理由不去吸取教训。GeV天文学小史COS-B的外观。(图片提供:ESA)COS-B最后足足工作了6年半,远远长于最初计划的两年,最终的退役还是因为燃料耗尽。在COS-B发射之前,人们对天空中的离散伽玛源所知甚少,主要还是SAS-2那屈指可数的几个发现。COS-B让伽玛射线的观测数据积累增加了20余倍,记录在案的光子事件总数达到了20万个。它不仅证实了船帆和蟹云脉冲星的伽玛源身份,还发现了大批新源,这其中包括第一个河外伽玛点源——3C 273,还包括X射线双星天鹅X-3以及猎户大星云等产星区。最后这些发现被汇总为2CG星表,其中包含有25个离散伽玛源,主要沿银道面分布。由于高偏心率轨道导致COS-B容易受到宇宙线的轰击(作为比较,处在辐射带内部的SAS-2由于地球磁场的屏蔽作用,不大会接收到来自太阳系以外的宇宙线),它并不擅长探测河外的弥漫辐射。因此COS-B的弥漫辐射主要是针对河内进行的。它获取了完整的银河系伽玛射线分布图,分辨出了源自银心、银盘、旋臂等区域以及各个亮源的成分。有迹象表明,这些辐射是与物质分布相关的。GeV天文学小史银河系的伽玛射线辐射。(图片提供:ESA)康普顿伽玛射线天文台:质的飞跃1991年由亚特兰蒂斯号航天飞机搭载升空的康普顿伽玛射线天文台(CGRO)是NASA的大天文台计划的第二个成员,旨在系统观测20 KeV到30 GeV的天空。康普顿的主要仪器共有四台,其中的高能伽玛射线实验望远镜EGRET负责观测GeV的天空。它的覆盖能段也是所有仪器中最宽的一个,从20 MeV延伸到了30 GeV,跨越了4个数量级。EGRET与工作能段更低的康普顿成像望远镜COMPTEL一样,都是指向固定的,每两周更换一次目标天区,改变它们的视场只能通过卫星本身的转向来完成。GeV天文学小史SAS-2的外EGRET仪器的外观(左)与结构(右)。(图片提供:NASA/GSFC)与前辈一样,EGRET也是采用了火花室结构。但是它的长处在于探测器面积空前大(几乎是SAS-2的两倍),且背景屏蔽机制绝佳,因此硕果累累。在9年的运行期间,EGRET发现了两类重要的河外GeV辐射源——耀变体与伽玛射线暴。另外一个值得一提的发现是,在GeV能段,月球的亮度平时居然比太阳高很多(这与宇宙线的轰击有关)。此外凭借较好的时间分辨能力,EGRET还系统研究了从太阳耀斑到脉冲星再到伽玛暴的诸多变源的光变行为。在弥漫辐射方面,EGRET准确测量了河内外背景辐射的相对强度,并发现河内弥漫辐射较理论预期谱形更硬,应该不是完全起源于宇宙线次极核子产生过程的。EGRET最终完整地巡视了100 MeV以上能段的天空,让人们对高能宇宙的认识产生了质的飞跃。它的第三版伽玛源表最终收纳了271个天体,相当于COS-B的2CG表的近11倍,这其中包括耀斑、大麦哲伦云、脉冲星、活动星系等等,还有170个身份不明的辐射源。对于GeV天文学的发展来说,可以说无论如何拔高这台仪器的贡献,也并不为过。AGILE:小家伙的大主意意大利设计建造的AGILE是当代伽玛射线卫星中的小个子,不到半吨的重量让它与康普顿或费米相比相形见绌。不过无论从观测性能还是从仪器配置来看,它比起前任都并不逊色。在2007年4月发射后的一年多时间里,AGILE是唯一一颗专门用于观测GeV天空的天文卫星,它与雨燕、INTEGRAL等卫星一道,部分弥补了从康普顿退役到费米升空之间的空白期。GeV天文学小史发射前的AGILE卫星。AGILE的伽玛射线成像探测器GRID选择了电子对产生探测器结构,不过其示踪部件是交叠的固态硅片而非气态。GRID是第一台基于新一代硅片技术的高能空间探测器,有着独到的技术创新之处。与有效探测面积会随着时间的推移而衰减的火花室相比,固体探测器的好处在于较为稳定。AGILE在第一年观测期间的结果汇总成了第一版GIRD伽玛源表,其中包括47个在100 MeV能段之上的伽玛源。若干著名的脉冲星、类星体、两对大质量X射线双星以及两个超新星遗迹都位列其中。不过也许应该感叹的是AGILE生不逢时,如果早发射几年,恐怕会抢得更大的风头。2008年费米伽玛射线空间望远镜服役之后,继续关注它的人就少了很多……费米伽玛射线空间天文台:高能巅峰费米伽玛射线空间天文台应该算是EGRET的直系后裔,实际上EGRET的很多发现也是促成费米望远镜研制的源头动力。虽然费米的高能观测设备——大面积望远镜用的是硅片探测器而非气体火花室结构,但这二者的工作原理大抵类似(也与AGILE的GRID类似),都是电子对产生。在这颗卫星发射之前,无数研究者都期待着它能够革新人们对高能宇宙的认识,事实证明,它也确实没有辜负众人的期待。GeV天文学小史发射台上的费米伽玛射线空间望远镜,当时它还叫做GLAST。(图片提供:NASA/Dimitri Gerondidakis)无论从性能还是科研成果来看,费米望远镜都是当之无愧的GeV观测翘楚。仅仅在工作了一年之后,它就记录下了1000余个伽玛源,其中有一半左右是耀变体,也就是喷流径直朝向地球而来的类星体活动星系核,另外还有数十颗伽玛射线脉冲星,绝大多数都是新发现的。此外它还发现了几种新型伽玛源,包括球状星团(高能辐射可能起源于其中的脉冲星)、新星等,促使人们去进一步探讨高能辐射的产生机制。而如今,费米的发现仍在继续。这颗产出颇丰的卫星持续扫描着全天,源源不断地带来高能宇宙的新知。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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