文 / 葉楠

γ射線空間望遠(yuǎn)鏡（下）

γ衛(wèi)星

γ衛(wèi)星是蘇聯(lián)和法國聯(lián)合研制的一臺(tái)γ射線空間望遠(yuǎn)鏡，于1990年7月11日發(fā)射進(jìn)入高375公里、傾角51.6度的地球軌道。早在1965年，蘇聯(lián)就提出了搭載于空間站上的γ射線望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，其間幾經(jīng)波折，項(xiàng)目最終于1979年獲得授權(quán)，原計(jì)劃于1984年發(fā)射，但最終推遲到了1990年。γ衛(wèi)星共搭載了3臺(tái)γ射線望遠(yuǎn)鏡：γ射線-1，探測波段50MeV～6GeV；盤-M，探測波段20keV～5MeV；脈沖星X-2，探測波段2～25keV。γ衛(wèi)星運(yùn)行了一年半的時(shí)間，對(duì)銀河系中心、天鵝座X-1、武仙座X-1、蟹狀星云等進(jìn)行了觀測，還對(duì)處于活動(dòng)高峰期時(shí)的太陽活動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測。

康普頓γ射線天文臺(tái)

阿瑟·康普頓（1892—1962）是美國物理學(xué)家（左圖），1923年，康普頓發(fā)現(xiàn)當(dāng)X射線或γ射線與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用后，因能量損失會(huì)發(fā)生波長變長的現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)后被稱為康普頓效應(yīng)，是對(duì)電磁波具有粒子性的有力證明。因這一發(fā)現(xiàn)康普頓獲得了1927年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

以他的名字命名的康普頓γ射線天文臺(tái)（CGRO）（右圖）是美國“大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃”四臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡之一，其他三臺(tái)分別是：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線天文臺(tái)和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡。CGRO于1991年4月5日從肯尼迪航天中心由阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)送入軌道，整個(gè)發(fā)射質(zhì)量達(dá)到17噸，是當(dāng)時(shí)最重的空間天文儀器載荷。CGRO攜帶的4臺(tái)探測器可以覆蓋能量范圍從20keV至30GeV的X射線和γ射線波段。CGRO一直工作至2000年，9年間它完成了第一次能量在100MeV以上的巡天觀測，發(fā)現(xiàn)了271個(gè)新的射線源，共發(fā)現(xiàn)近2700次γ射線暴事件。但令人奇怪的是，在鄰近星系幾乎沒有發(fā)現(xiàn)γ射線暴事件，都是來自于更加遙遠(yuǎn)的星系。

GRB 990123

1999年1月23日，CGRO記錄到了一個(gè)強(qiáng)大的γ射線暴事件GRB 990123，整個(gè)過程持續(xù)了約90秒，在第25秒和40秒出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的峰值爆發(fā)，在8分鐘以后，輻射強(qiáng)度下降至峰值的百分之一。GRB 990123能夠排名當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)所有γ射線暴強(qiáng)度的前2%。在CGRO發(fā)現(xiàn)此次事件之后，天文學(xué)家使用位于美國新墨西哥州的ROTSE-1光學(xué)望遠(yuǎn)鏡迅速對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，在第22秒開始拍下目標(biāo)的光學(xué)照片，其光學(xué)對(duì)應(yīng)體從18等迅速增加到9等，光度增加約4000倍。第二天，位于夏威夷莫納克亞山的凱克望遠(yuǎn)鏡拍攝到了它變暗后的影像，此時(shí)已經(jīng)降低到20等，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)紅移為1.6，可推算出距離約為90億光年。這是人類第一次同時(shí)記錄到γ射線暴與其光學(xué)對(duì)應(yīng)體的亮度變化。

高能暫現(xiàn)源探測器2號(hào)

高能暫現(xiàn)源探測器2號(hào)（HETE-2）又名探險(xiǎn)者79號(hào)（左圖），在它之前，HETE-1在1996年發(fā)射升空后由于爆炸螺栓問題未與火箭脫離而失敗。HETE-2于2000年10月9日由飛馬座空射型運(yùn)載火箭（右圖）成功送入軌道，這是一顆非常小巧的衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量只有124千克。HETE-2上裝載有紫外、X射線和γ射線探測器，其主要工作是對(duì)γ射線暴進(jìn)行多波段觀測。它的定位精度達(dá)到了10角秒，還擁有一套網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以快速調(diào)用地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行光學(xué)和紅外波段的觀測。HETE-2有許多新的發(fā)現(xiàn)：GRB 030329的發(fā)現(xiàn)將γ射線暴同超新星爆發(fā)緊密聯(lián)系在了一起；GRB 050709是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)具有光學(xué)對(duì)應(yīng)體的短γ射線暴。

國際γ射線天體物理實(shí)驗(yàn)室

國際γ射線天體物理實(shí)驗(yàn)室（INTEGRAL）是歐空局、俄羅斯航天局和美國宇航局共同合作的一項(xiàng)γ射線探測任務(wù)。2002年，INTEGRAL從拜科努爾航天發(fā)射場由質(zhì)子-K型火箭送入太空，這是歐空局歷史上發(fā)射過的質(zhì)量最大的科學(xué)載荷，達(dá)到了4噸。INTEGRAL的軌道高度為6300公里×157000公里，具有很高的偏心率。INGEGRAL主要攜帶有6套科學(xué)儀器：星載成像儀可對(duì)能量范圍從15keV的硬X射線至10MeV的γ射線進(jìn)行觀測，角分辨率為12角分；光譜儀可探測到20keV至8MeV的輻射；γ射線暴探測器；X射線探測器；光學(xué)監(jiān)視器；輻射監(jiān)視器。INTEGRAL的觀測靈敏度是當(dāng)時(shí)最強(qiáng)的，時(shí)至今日，它還擁有足夠的能量在繼續(xù)服役。期待它有更多的發(fā)現(xiàn)。

格雷爾斯雨燕天文臺(tái)

格雷爾斯雨燕天文臺(tái)（Swift）（左圖）是美國、英國及意大利合作的一項(xiàng)以γ射線暴為主要探測目標(biāo)的空間探測任務(wù)。Swift攜帶有三套主要的觀測儀器，分別可以在γ射線波段、X射線波段以及紫外/光學(xué)波段進(jìn)行觀測。右圖為Swift在紫外/光學(xué)波段拍攝的第一張照片，照片里的天體為俗稱風(fēng)車星系的M101。當(dāng)在巡天觀測中發(fā)現(xiàn)疑似γ射線暴時(shí)，Swift可以迅速的將三套設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，同時(shí)觀測數(shù)據(jù)也可以迅速傳回地面，以便其他地基天文臺(tái)進(jìn)行配合觀測，這種“迅速”與“Swift”所代表的涵義之一有共通之處，而“格雷爾斯”這個(gè)名字是在2018年1月加上的，為了紀(jì)念于2017年去世的Swift首席科學(xué)家尼爾·格雷爾斯。

第1000個(gè)γ射線暴

Swift于2004年11月20日發(fā)射升空，計(jì)劃運(yùn)行2年時(shí)間。從2005年2月它公布了首個(gè)發(fā)現(xiàn)開始，Swift取得了豐碩的觀測成果：它發(fā)現(xiàn)過紅移高達(dá)6.29的GRB 050904；爆發(fā)持續(xù)超過2000秒的GRB 060218；距離超過131億光年的GRB 090429B等等。到2015年10月，距離升空11年后，Swift發(fā)現(xiàn)了GRB 151027B（左圖），這是它發(fā)現(xiàn)的第1000個(gè)γ射線暴。時(shí)至今日，它依舊在560公里高度軌道上繼續(xù)服役，可以說在所有在軌的γ射線空間天文臺(tái)之中，Swift是工作時(shí)間最長、成果最為豐碩的一個(gè)。右圖為Swift當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的1000個(gè)γ射線暴相對(duì)銀道面分布圖。

敏捷號(hào)γ射線天文衛(wèi)星

敏捷號(hào)γ射線天文衛(wèi)星（AGILE）是意大利航天局的一顆X射線和γ射線天文衛(wèi)星。2007年4月23日，AGILE從位于印度的薩迪什·達(dá)萬航天中心發(fā)射升空，軌道高度533公里×509公里，傾角只有2.47度，周期94.9分鐘。AGILE是一個(gè)邊長只有60厘米左右的六邊形立方體，重約100千克，是有史以來最小巧的空間高能天體物理探測設(shè)備。AGILE具有出色的探測和成像能力，整個(gè)任務(wù)期間，發(fā)現(xiàn)了來自于天鵝座X-3的γ射線輻射；探測到來自于蟹狀星云會(huì)產(chǎn)生變化的γ射線輻射；對(duì)粒子加速理論模型提出了新的挑戰(zhàn)。它還首次從超大質(zhì)量黑洞3C 454.3中發(fā)現(xiàn)γ射線耀斑，并對(duì)黑洞馬卡良421進(jìn)行了X射線和γ射線波段的聯(lián)合觀測。AGILE的快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以在3到3.5小時(shí)內(nèi)生成警報(bào)，是世界上最快的γ射線監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)。

費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡

費(fèi) 米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡（FGST）（上圖）于2008年6月11日發(fā)射升空，是由美國宇航局、美國能源部、法國、德國、意大利、日本和瑞典共同合作的一項(xiàng)太空任務(wù)，是 繼INTEGRAL之后最敏感的γ射線空間望遠(yuǎn)鏡。FGST主要攜帶有兩套科學(xué)儀器：大視場望遠(yuǎn)鏡能夠同時(shí)對(duì)整個(gè)天空面積的20%金星γ射線探測，探測能量范圍在20MeV至300GeV之間；γ射線寶監(jiān)測儀由14個(gè)閃爍探測器構(gòu)成，用來監(jiān)測8keV至1MeV能量范圍內(nèi)的γ射線暴。下圖是FGST從2009年至2013年間繪制的強(qiáng)于1GeV的γ射線輻射空間分布圖。

FGST的新發(fā)現(xiàn)

2010年11月，F(xiàn)GST在銀河系附近發(fā)現(xiàn)兩個(gè)發(fā)出γ射線和X射線的氣泡，后被命名為費(fèi)米氣泡，分別位于銀河系中心上下側(cè)，相對(duì)銀心最遠(yuǎn)延伸25000光年。2012年，觀測到有史以來來自于太陽耀斑的最強(qiáng)γ射線輻射，其能量是可見光的20億倍，約40GeV。2013年4月，F(xiàn)GST探測到GRB 1130427A，能量達(dá)到940GeV，是迄今為止最強(qiáng)的γ射線暴，超過之前的最高紀(jì)錄3倍。2015年，當(dāng)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）發(fā)現(xiàn)由兩個(gè)黑洞并合引發(fā)的引力波事件GW150914時(shí)，F(xiàn)GST在引力波事件0.4秒后探測到50keV的弱γ射線爆發(fā)，其來源天區(qū)與GW150914重合，但尚無明確的證據(jù)證明此次γ射線爆發(fā)與GW150914有直接關(guān)系。