伽玛暴的地基监测
标题乍看有些胡搞，明明伽玛射线不能穿透地球的大气，何谈伽玛暴的地基监测？其实不然。固然伽玛暴的瞬时辐射是在伽玛射线波段发现的，但它却有光学/红外余辉的存在，也有光学/红外瞬时辐射，因此地基监测完全可行。其实地基监测的历史还要久于余辉的正式发现，只是直到1999年，才第一次取得令人瞩目的结果。
当然，一切地基光学实时监测都要感谢伽玛暴坐标定位网（GCN）的出现，某种意义上还要感谢康普顿伽玛射线天文台BATSE仪器的记录设备失灵，否则就不会促成GCN的前身——BACODINE。
实时监测的数据源一般就来自GCN，卫星的观测数据在短短数秒之内就可以在这里发布出来。联网的专用设备通常会采取巡天工作模式，一旦接到触发信号立即转向，最快可以在卫星触发后的10秒内对准目标。也有的计划为了减少转向时间，让监测系统时刻追踪数据源卫星所指天区。监测伽玛暴的计划同样也可以探测一切光学瞬变源，而Katzman自动成象望远镜等设备本是为超新星巡天而造。只是有了GCN这样的利器，监测对象更为明确，因此进行伽玛暴研究倒是更为得心应手。
也许和其他专业仪器比起来，伽玛暴的地基监测设备乍看实在业余，有的干脆直接使用业余爱好者中流行的叉式望远镜，如RIBOTS（RIken-Bisei Optical Transient Seeker）用的是Meade LX200，甚至也有使用摄影用望远镜头的。哪怕是专门设计的望远镜，口径也只是在半米上下。就算是控制软件都不一定专业到哪里去：北卡罗来纳大学主持的PROMPT（Panchromatic Robotic Optical Monitoring and Polarimetry Telescopes）就是把The Sky直接拿来，热中电子星图的人对其应该不陌生吧。但此类计划的观测目标和意义却是毫不含糊，当仁不让地属于天体物理最前沿之列，不知道会让热中建造和使用巨镜的仪器开发者和观测天文学家们作何感想。
伽玛暴监测设备掠影，左上：Super-LOTIS（图片提供：LOTIS），右上：ROTSE-III（图片提供：ROTSE）；左下：RAPTOR（图片提供：洛斯阿拉莫斯国立实验室）；右下：RIBOTS（图片提供：Riken）。
个中原因和伽玛暴的光变和衰减迅速有关。为适应这一点，与空间探测类似，地基监测的核心技术也是快速反应，这需要系统有较小的惯性，因此绝大部分专用于监测伽玛暴的设备口径都不是很大。另外，望远镜还要具备高灵敏度、大视场的特性，后者也是口径不能做大的一个原因。
虽然望远镜看起来业余，其自动化程度却显然很高，包括数据处理在内，几乎不需要人工参与。有些连防护罩也设计成自动式的，只要有雨滴落下，防护罩立即合起。至于数据处理方面，需要排除的主要干扰除了常规CCD观测的宇宙线和坏点之外，还包括过路卫星/飞机/小天体/流星以及其他瞬变源，这就需要庞大的后台数据库支持。
最早的伽玛暴（或者说是光学瞬变体）地基光学监测项目应该是GROCSE，运行时间自1994年1月至1996年6月，但几乎是一无所获，只给出了伽玛暴瞬时光学辐射的亮度上限。GROCSE结束运转后还发生了两位主要参与者朴惠淑与Carl Akerlof的分家事件，不去细究也罢。无论如何，由此事件衍生出的LOTIS（Livermore Optical Transient Imaging System，还有日后的Super-LOTIS）和ROTSE（Robotic Optical Transient Search Experiment）两大计划却各自成为当今伽玛暴地基监测的主力。
GROCSE外景。
ROTSE的盛名来自对GRB 990123的观测。1999年1月23日世界时9时46分56.12秒，康普顿天文台的BATSE触发，4秒后坐标信息传给了ROTSE所在地——洛斯阿拉莫斯国立实验室。当时的ROTSE只是4架35毫米相机，装有200毫米镜头，以CCD为探测终端，而且爆发时还有一架相机出了故障，ROTSE软件的写入问题又让第一张可供分析的照片拖到了爆发后的22秒才拍摄。相当幸运，ROTSE还是捕捉到了亮度高达9等的光学闪，这一现象正符合先前提出的正反激波模型。虽然由于光学闪的流量与爆发本身反相关，现在一般认为ROTSE探测的是极早期余辉而非瞬时辐射，此次的观测结果还是在不久之后就登上了Nature杂志，仪器的照片则成为了该期杂志的封面。实际上，这次爆发本身也算是伽玛暴研究的一大里程碑，其超大流量让理论家确信，爆发应该是集中于狭窄的喷流中的，与该暴相关的理论进展更是在后来被评为当年的十大科学进展之一。
GRB 990123的光学辐射光变曲线。（图片来源：Akerlof et al. 1999）
当年观测GRB 990123的ROTSE是第一代设备，现在运转的则是ROTSE-III（ROTSE-II因种种原因中途流产）。ROTSE-III已在四大洲架起4台望远镜，希望能尽量减少地球自转的限制。LOTIS相比之下没有那么幸运，虽然1997年可能已探测到了GRB 971227的早期光学余辉，却没有做出什么划时代的发现。不过当下LOTIS也是鸟枪换炮，从照相机升级成了0.6米口径的自动望远镜。
ROTSE-I。（图片提供：ROTSE）
第一次确切的光学瞬时辐射观测来自RAPTOR，爆发是GRB 041219a。GRB 041219a的光学闪与爆发的流量呈正相关，因此可以相信，这就是伽玛暴的瞬时辐射。只是该暴方向靠近银盘，位置不佳，不利于定量研究。值得一提的是，RAPTOR借鉴了人眼和猛禽眼睛的工作原理，在相距20英里的两处分设探测器，可以进行立体联测。
GRB 041219a的光学图象。（图片来源：Vestrand et al. 2005）
除却验证正反激波模型，测量伽玛暴火球的洛伦兹因子也是地基光学监测的意义之一——这一参数直接与爆发中物质抛射的速度有关，在主流理论中占据着极其重要的地位。这一点需要完整的光变曲线观测，特别需要的是峰值的位置，这正是之前了解得极不充分的。去年，欧洲南方天文台的REM（Rapid Eye Mount）测出了GRB 060418和GRB 060607的洛伦兹因子数值，也算是填补了一项空白。
当前伽玛暴主要地基光学监测计划的主页：
LOTIS：http://slotis.kpno.noao.edu/LOTIS/
ROTSE：http://www.rotse.net/
REM：http://www.rem.inaf.it/
RAPTOR：http://www.raptor.lanl.gov/
PROMPT：http://www.physics.unc.edu/~reichart/prompt2.html
不过伽玛暴的监测工作也并非要把世界级的望远镜排除在外，毕竟这些口径动辄8米的巨镜有着更好的分辨率和更高的灵敏度。比如欧洲南方天文台就在甚大望远镜上设置了快速反应模式。固然它不能象小型设备那样在10秒内转向就位，却也可以把反应时间缩短到几分钟，监测早期余辉还是绰绰有余的。2006年4月17日，甚大望远镜的第二架主望远镜Kueyen在雨燕卫星触发后的不到10分钟内即开始拍摄爆发的光学/紫外高分辨率时间积分光谱。两个月后，反应速度的记录再度被打破。作为对比，GRB 970228的光学余辉是在爆发后20余小时才观测到的。
甚大望远镜快速反应模式的控制界面。（图片提供：ESO）
类似其他的光学观测，地基伽玛暴监测的限制主要来自天气和月相。LOTIS曾因阴雨而失去了发现GRB 990123光学闪的机会；月夜时，暗淡的光学辐射也难以为小口径望远镜察觉。此外，倘或爆发时间在当地是白天，或是爆发天区在当地地平线以下，也属不可观测之列。由此导致大部分爆发实际上不能实时做后续观测。在不同地点架设望远镜联测可以部分地弥补上述缺陷，ROTSE-III即是一个尝试，此外还有东亚地区的合作项目EAFON。
当然除了快速反应捕捉爆发的瞬时辐射和早期余辉之外，长期的光学追踪观测也是必要的，可以给出整个光变曲线以及辐射谱的演化。不过后者的难度显然没有前者大，本文对其就不赘述了吧。
除却光学监测，还应该记一笔的是地基甚高能伽玛射线监测，利用的是切伦科夫望远镜，也由卫星数据触发。切伦科夫望远镜迄今观测的爆发数目不多，只是两位数。这些爆发也没有表现出甚高能伽玛射线流量增加的迹象，倒是符合卫星观测流量数据的高能段外推结果。
至于中微子和引力波探测，至今没有得出确切的结论，不再详述。宇宙线探测也一样是在初级发展阶段。
如今伽玛暴地基监测数据谈不上很充分，因此大量问题处于悬而未决的状态。朴惠淑在某次报告中即以需要更多观测作为结尾，这虽说是做总结常用的套话，却是扎扎实实的现状。眼下各监测项目纷纷升级设备，图纸上的ECLAIRs也准备了专用的快速反应望远镜。很多研究者对其寄予了厚望，拭目以待。而在监测伽玛暴的同时，前述计划更有望为耀星、X射线双星、活动星系核、软伽玛射线复现源的研究带来突破。
参考资料：
[1] Telescope Acquiring Transients Extremely Rapidly
[2] 关于GRB 990123，可参见astro-ph/9903271；关于GRB 041219a，可参见astro-ph/0503521
[3] An Automatic Telescope System for Gamma-Ray Burst Follow-Up Observations, Urata et al., Small Telescope Astronomy on Global Scales, ASP Conference Series Vol. 246, IAU Colloquium 183
[4] Controlled by Distant Explosions
[5] 关于切伦科夫望远镜的工作，可参见arXiv:0709.1380和arXiv:0709.1386
[6] 地基监测计划的名单：http://gcn.gsfc.nasa.gov/gcn_sites.html
