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2016-4-25

伽玛射线天文学突破25周年庆

Francis Reddy
译自NASA,2016年4月8日

25年前的本周,NASA发射了康普顿伽玛射线天文台。这是一颗变更了我们对高能天空认知的天文卫星。在9年的服役期内,康普顿进行了史上第一次伽玛射线(也就是能量最高、穿透力最强的光线)全天巡天,发现了数以百计的新辐射源,并揭示出了一个活跃多样得超乎意料的宇宙。

1991年5月7日,在STS-37任务期间,NASA的康普顿伽玛射线天文台在发射后漂离亚特兰蒂斯号航天飞机。康普顿成功的生涯终于2000年6月,随后它再入地球大气层。点击下载NASA科学可视化工作室提供的其他高清晰度图片(图片提供:NASA/Ken Cameron)

康普顿的任务科学家、来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德航天中心的尼尔·格雷尔斯(Neil Gehrels)说:“这些仪器确实是向前迈进的一大步,它们第一次告诉我们,伽玛射线的天空是有多么的多变又有趣。”

康普顿的诸多发现包括揭示了一类由特大质量黑洞驱动的新型星系、意外探测到了来自地球雷暴的伽玛射线,还有为伽玛射线暴(GRB)提供了当时最具说服力的证据,说明它们是宇宙中最遥远、最强劲的爆发。

NASA费米伽玛射线空间望远镜的任务科学家、来自戈达德的朱莉·麦克内里(Julie McEnery)说:“当科学家看到这些早期的结果之后,没过多久他们就开始讨论,需要一颗搭载着更先进的仪器的新卫星,这样我们就可以更好地观测这些激动人心的现象了。费米实际上是康普顿的直系后裔,甚至还牵扯了大批同样的人马,其中就包括了尼尔在内。”

这两张图片囊括了伽玛射线天体物理学25年来的进展。左:EGRET获取的100 MeV以上的伽玛射线天空图。图中较明亮的色彩表示数量较多的伽玛光子。图中最突出的特征是银河系的中央盘面,它切过了天空图的中央。当被加速的粒子轰击星际气体和星光时,伽玛射线产生了。右:费米大面积望远镜(LAT)利用2008年8月4日到1015年8月4日的数据绘制的全天图。与EGRET的天空图相比,这张图片更锐利,更详尽,也展示了能量更高的伽玛射线。LAT已经探测到了数量10余倍于EGRET的伽玛源。银盘右侧最大的黄色光斑是船帆脉冲星,也是EGRET新发现的5颗伽玛射线脉冲星之一。实际上,LAT从单独一个伽玛源——船帆超新星捕获的高能伽玛光子数量已经胜过了EGRET从所有源接收到的伽玛光子总和。(图片提供:左:NASA/EGRET Team;右:NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

1991年4月5日,康普顿在STS-37任务期间发射升空,这是亚特兰蒂斯号航天飞机的第8次飞行。机上成员包括指令长史蒂文·R·内格尔(Steven R. Nagel)、驾驶员肯尼思·D·卡梅伦(Kenneth D. Cameron)以及任务专家琳达·M·戈德温(Linda M. Godwin)、杰里·L·罗斯(Jerry L. Ross)和杰伊·阿普特(Jay Apt)。那时,这颗重17吨的卫星是史上航天飞机搭载过的最重天体物理载荷,这一记录直到1999年NASA钱德拉X射线天文台及其推进级的发射才被打破。

4月7日,机组成员准备将康普顿释放到轨道上。戈德温利用航天飞机的机械臂引导着卫星离开载荷舱,这样太阳能电池板就有了展开的空间。现在在匹兹堡市(Pittsburgh)卡内基-梅隆(Carnegie Mellon)大学泰珀(Tepper)商学院与工学院担任教授的阿普特说:“当我们看到太阳能电池板正确展开后,我们都很兴奋,原因是它们在地面上的表现很成问题。”

然后坏消息出现了。地面控制人员无法展开将科学数据传回地球所需的高增益天线。为展开这一结构所做的努力包括将航天飞机载荷舱转入转出阳光以改变天线的温度,还有轻轻摇晃航天飞机的机械臂,但这些都无济于事。由于别无选择,罗斯与阿普特获批进行一次计划之外的太空行走,这是NASA将近6年来的第一次。

STS-37的任务专家杰里·罗斯在成功展开康普顿受阻的高增益天线后的微笑。这架天线是将科学数据传回地球所需的。这一问题让罗斯以及任务专家杰伊·阿普特进行了几乎6年来NASA第一次计划之外的太空行走。(图片提供:NASA/Steve Nagel)

;两名宇航员找不到故障的可见原因。而罗斯(他于2012年以7次进入太空第一人的身份从NASA退役)获批进行被他称作“农场老好男孩的重击”的行动。他用右手将自己支撑在康普顿上,并伸出了左手,以约合40磅的作用力猛推桁架两次。什么事情都没有发生。他回忆说:“我推了第3和第4次,它开始略略移动了。最终在第5和第6次尝试时,桁架自由旋转了起来。”由此,太空行走者来到了桁架的另一端,手动旋转天线到全面展开,并将其锁定就位,为康普顿的释放铺平了道路。

那时这颗卫星的名字还只是伽玛射线天文台。随后它为了纪念美国物理学家、诺贝尔奖得主阿瑟·霍利·康普顿(Arthur Holly Compton)而更名,他发现了高能光子从电子或其他带电粒子上散射后波长发生改变的现象。该过程在伽玛射线探测技术中发挥着核心作用,卫星搭载的所有仪器都用到了这一原理。

来自宇宙的伽玛射线稀少而遥远,而且能量越高,光子数量就越少。康普顿的4台伽玛射线仪器是当时进入太空的最大设备,其灵敏度10余倍与先前的卫星。按探测能段由低到高排序,它们分别是爆发与暂现源实验(BATSE)、有向闪烁分光仪实验(OSSE)、成像康普顿望远镜(COMPTEL),以及高能伽玛射线实验望远镜(EGRET)。它们一道覆盖了空前宽的能段,从2万电子伏特(eV)一直到300亿电子伏特。作为对比,可见光光子的能量相当于大约2到3电子伏特。

这张康普顿伽玛射线天文台的结构图描绘了4台仪器的位置,它们分别是爆发与暂现源实验(BATSE)、有向闪烁分光仪实验(OSSE)、成像康普顿望远镜(COMPTEL)以及高能伽玛射线实验望远镜(EGRET)。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)

BATSE由阿拉巴马州亨茨维尔市(Huntsville)的NASA马歇尔空间中心开发,它提供了第一条令人信服的证据,说明几乎每日发生的短暂而强烈的伽玛射线暴出现在银河系之外很远处。BATSE的领导者、当下供职于阿拉巴马大学亨茨维尔分校的费米伽玛暴监测仪副研究员杰拉尔德·菲什曼(Gerald Fishman)说:“在康普顿发射之前,GRB已经将天文学家折磨了几十年,而天文界的共识是,它们来自河内的中子星。”

很快人们就弄清,GRB遍布全天,而不具备能够反映银河系结构的分布。这强烈说明这样的爆发要比我们的宇宙近邻远很多。1997年,当地面天文台对意大利与荷兰合作的BeppoSAX卫星观测到的一个GRB进行了迅速的后续研究之后,这一观点得到了证明。现在我们知道,伽玛暴是不同寻常的爆发,发生在数百万年到数十亿年之外,通常是大质量恒星死亡或两个中子星/黑洞并合的产物。费米与NASA的雨燕卫星都在继续研究着GRB,而这两颗卫星迄今都已探测到了超过1000次这样的爆发。

当康普顿发射时,大多数天文学家都认为伽玛射线暴与河内致密的中子星相关。他们认为,只要观测到足够多的爆发,GRB的分布就会相对这样的区域(如银盘)集中。相反,BATSE表明,伽玛暴发生在全天,它们的分布与银河系内禀的结构并不相关。这是令人信服的证据,说明GRB是遥远星系中的爆发,这一解释在后来得到了证实。(图片提供:NASA/BATSE Team)

康普顿的EGRET仪器由戈达德中心的卡尔·菲希特尔(Carl Fichtel)领导,是与斯坦福大学、德国的马克斯·普朗克研究所以及格鲁曼航天公司合作建造的。它完成了第一次高能伽玛射线全天巡天,覆盖了能量高于1亿电子伏特的能段。这期间的一大重要发现是一类新的活动星系,它们的大多数辐射都是在这一能段发出的。

活动星系是其他方面正常的星系,只是有着致密且格外明亮的核心。中心区域超乎寻常的光度是由落入特大质量黑洞的物质产生的,黑洞的质量相当于太阳的数百万倍。当物质接近黑洞时,其中的一部分会被导入一对粒子喷流中,喷流以接近光速的速度朝相反方向向外运动。在最明亮的活动星系核——类星体和耀变体中,其中的一道喷流恰好几乎正指地球而来。当观测这些天体时,我们实际上是在沿着黑洞驱动的宇宙加农炮筒朝下看。EGRET告诉我们,这些喷流所达到的能量比先前的预期要高很多。

当康普顿发射时,人们只在银河系之外的一个星系——一个名叫3C 273的类星体中探测到了高能伽玛射线。而当1991年EGRET拍摄这一天区后,科学家看到了另一个类星体——3C 279在发生爆发,这使得它变成了伽玛射线天空中最明亮的天体之一。它成了伽玛射线耀变体的原形天体,而EGRET辨认出的大多数离散天体,还有现在费米正在编目的大多数点源都属于这一类型。自那之后,3C 279发生了更猛烈的耀发。

康普顿的其他仪器也获得了令人印象深刻的结果。由华盛顿海军研究实验室的詹姆斯·库费斯(James Kurfess)领导的OSSE。欧洲领导的COMPTEL仪器辨认出了银河系内铝-26等新生放射性元素存在的区域,它的首席研究员是来自德国马克斯·普朗克研究所的福尔克尔·舍恩菲尔德(Volker Schoenfelder)。

康普顿是NASA大天文台计划的第2个项目。该计划包括一系列雄心勃勃的天文卫星,设计目标是探索电磁波谱的不同区域。大天文台的第1个项目是1990年发射的哈勃空间望远镜。在康普顿之后,还有1999年发射的钱德拉X射线天文台以及2003年发射的红外斯皮策空间望远镜。除了康普顿之外,其他3颗卫星仍旧在役。2000年,由于其中一台陀螺仪失灵,康普顿受控脱轨。它的科学遗产由费米、雨燕以及其他探索宇宙最高能辐射和产生这些辐射的极端现象的空间天文台继承了下来。

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