用劳厄透镜聚焦伽玛射线的尝试
由于来自天体的高能光子穿透力强且数量相对稀少，现在伽玛射线天文学的主流观测模式是借助编码掩模或者更接近粒子探测器的闪烁体等仪器来完成的，但与直接聚集成像相比，这些仪器都存在空间分辨率和灵敏度相对较低、数据处理相对复杂的缺陷。之前在《编码掩模成像》一文提到过，用劳厄衍射透镜为窄波段窄视场的高能光子聚焦至少在理论上是可行的。近日看到arXiv上的一篇论文对这个话题进行了相关探讨，就此写上一些介绍。
劳厄透镜的基础是布喇格晶体衍射，适用于100 keV到1 MeV的硬X射线到软伽玛射线能段。这种光学结构其实并不是真正的透镜，而是由一系列呈同心或阿基米德螺线状排布的衍射晶体组成。高能光子从晶体中穿过，只要保证所有晶体的衍射光都汇聚到焦平面的同一个点上，就可以让晶体阵列发挥会聚透镜的作用了。又由于晶体衍射的角度取决于入射光子的能量，合理选择晶体的分布半径，系统可以聚焦能量处在一定范围内的光子。
晶体同心排列的劳厄透镜光路示意。（图片来源：Barrière et al. 2013）
由于劳厄透镜的基础是衍射，衍射光是分布在一定范围内的，衍射斑越大，被聚焦的出射光子数量则越少。聚焦效果的好坏与晶体大小有关，为了尽可能地缩小系统的点扩散函数，按照经典手段，应该使用大量小晶体来构筑劳厄透镜。这样做的代价是提升系统的复杂性，并对校准工作提出了更高的要求，因此现在也有研究者提出使用衍射斑小于晶体自身的曲面晶体作为系统的基本单元。
劳厄透镜的制造分为两大主要方面，晶体的选择以及安装校准。这种结构对晶体材料的要求一是具备高反射率，二是存在一定的晶格缺陷，因为完美的晶体无法有效会聚非平行光，且只适用于单色观测。当然便于大规模生产也是必不可缺的，因为当代劳厄透镜系统动辄需要数千枚晶体来搭建。
论文是基于加州大学伯克利分校空间科学实验室的工作撰写的。这里自2010年起，就开始从事天文用劳厄透镜的开发了。原型透镜由5枚铜晶体与10枚硅晶体组成，均由欧洲的相关机构提供，底面5毫米见方，长3毫米，全部用黏合剂粘在铝质的底板上。它们排成了3段同心圆弧，晶体最近的间距只有0.2毫米，系统焦距为1.5米。
加州大学伯克利分校空间科学实验室的原型劳厄透镜，最左一层为铜晶体，右侧两层为硅晶体。（图片来源：Barrière et al. 2013）
考虑当前大多数劳厄透镜计划采用的焦距都相当可观，长达数十米，安装过程中对精度的要求可想而知。为了实现晶体组件的精准安装（初步要求是角度精确到10角秒以内），空间科学实验室特地开发了劳厄透镜安装台。安装台的一端是专用的X射线光源，台上设置了一系列准直狭缝、固定晶体以及底板的夹具，还有用于测量结果的探测器。成功安装取决于一系列因素，从夹具精度到环境温度不一而足。
实现精度要求的技术细节不论，最终这台原型透镜算是大致论证了建造大型劳厄透镜的可行性。下面是原型系统聚焦的示例，左为正轴观测，右为20角分偏轴观测：
图片来源：Barrière et al. 2013
加州大学伯克利分校的最终目标是建造天文观测（特别是Ia型超新星）专用的30米焦距劳厄透镜。文中对相关卫星的规划并未涉及，个人看来，这种结构最麻烦的地方还在于焦距过长，相关卫星怕是只能采用折叠式设计了，于是确保展开精度也是一大技术挑战。
不过只要能够克服这些难题，劳厄透镜望远镜一旦成形，研究前景是极其光明的。光子聚焦可以大大提升仪器的灵敏度（最高可达一两个数量级），且放宽对高能探测器面积的要求，减轻卫星的重量。使用这样的高能卫星进行观测，不仅可以节约发射成本，还可以增强对某些原子核过程相关谱线的分辨能力，更好地观测511 keV正负电子湮灭线、847 keV镍56衰变线等至关重要的谱线，为反物质、暗物质以及Ia型超新星爆发机制等课题的研究带来关键线索。对于Ia型超新星来说，劳厄透镜可以经由衰变线的高信噪比观测来区分前身星的爆发模型，进而解释菲利普斯关系，帮助人们更好地将其用于宇宙学研究。
