新型伽马射线望远镜升空将研究黑洞暗物质

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  2008年6月11日,美国新一代伽马射线天文卫星——“伽马射线大面积空间望远镜”(GLAST)在美国卡纳维拉尔角航天发射场发射升空。该望远镜不仅拥有极其广阔的观测视野,而且是全球最灵敏的伽马射线卫星,其观测灵敏度比现有的其它伽马射线卫星至少强30倍,能帮助科学家们获取有关宇宙进化、黑洞物质喷发和暗物质微粒碰撞的有关信息。
  
  高灵敏的巡天眼
  
  伽马射线大面积空间望远镜高2.8米,直径2.5米,发射质量4277千克,运行时功率仅有160瓦,运行在高560千米、倾角为28.5°、周期为95分钟的圆形轨道。这一轨道与“雨燕”卫星类似,可以尽量避开带电粒子的影响。它升空后先进行2个月的测试与调整,然后正式开始探测工作。
  伽马射线大面积空间望远镜主要由大面积望远镜(LAT)和伽马射线暴监测器(GBM)组成,此外,还有反符合屏蔽层和数据处理系统等。该望远镜具有五大特点:一是探测范围广。可探测从30MeV到300GeV的能量范围,其中10GeV~100GeV之间的能量区域迄今未被观测过,这一区域中可能隐藏着一些线索,能够帮助科学家揭开诸如暗物质成分之类的宇宙谜团。二是能精确定位。当一次伽马射线暴发生后,它在几秒钟的时间里就能够确定伽马射线暴的位置,并把相关信息发送给地面科学家。三是视场大。其视场大于2sr,巡天工作时,只需两个轨道周期就可以扫过整个天空。四是抗干扰能力强。可排除99.97%宇宙射线产生的信号,捕捉到低能伽马射线。五是具有较高的灵敏度。能在短的时间间隔内测量伽马射线暴,伽马射线暴能在几分之一秒的时间内喷泄出大量伽马射线。
  伽马射线大面积空间望远镜采用电子对成像技术:入射的伽马射线通过带电粒子反符合屏蔽层,屏蔽掉99.97%的“杂音”,接着,它与钨箔片探测器相互作用,转化为正负电子对,然后,这些电子对进入由19对硅片构成的粒子跟踪探测器,以记录下每个电子的入射方向,最后,正负电子对进入热量计以测量它们所产生的热量,从而确定正负电子对的能量,即伽马射线源的能量。
  
  肩负神圣使命
  
  伽马射线大面积空间望远镜设计寿命5年,目标寿命10年。伽马射线大面积空间望远镜接收伽马射线的有效面积大,而且仪器的视场大、可测量的能谱宽和灵敏度高。它将观测宇宙中各种奇异的天体和剧烈的天体现象,如:伽马射线暴、黑洞、类星体、脉冲星、太阳耀斑等,还将进行高能巡天观测,以继续早年康普顿伽马射线空间望远镜的工作,为康普顿伽马射线空间望远镜发现的伽马射线源进行重新定位,更好地揭示其本质。
  在工作生涯中,它将探测大约5000个不同距离的活动星系核,以搞清楚星系核的频谱特征、形成和演变过程。它将探索宇宙间最极端的太空环境;搜寻新物理学规律存在的迹象,以及神秘暗物质的组成成分;了解黑洞是如何将物质的巨大喷射加速到近乎光速;揭开伽马射线爆发能量惊人之谜;解答有关太阳耀斑、脉冲星和宇宙射线起源等问题。
  


  伽马射线大面积空间望远镜项目由美国航宇局和美国能源部共同负责。部分专家对从未参与过天文研究的美国能源部参与该项目怀有特别的疑问,称从事核能研究才是美国能源部的本行。本次美国航宇局与美国能源部联合开发伽马射线大面积空间望远镜将打开美国天体物理学家和核物理学家共同开展一些研究项目的新局面。分析人士认为,这两家机构联手打造此新型望远镜是各有所图的:天体物理学家们希望借助伽马射线大面积空间望远镜之力来获取有关宇宙进化的重要信息,而核物理学家们则希望用该望远镜来探寻可能会改变某些物理学基本定律的信号。
  
  全球征集芳名
  
  2008年2月,美国航宇局开始在全世界范围内为伽马射线大面积空间望远镜征名,任何人都可以通过网站直接将名称发送到美国航宇局的名称审核机构,以便在该望远镜9月投入使用前给它一个正式的名字。
  美国航宇局官员艾伦-斯特恩说:“我们希望收到一些好的命名建议,能够准确抓住伽马射线大面积空间望远镜任务的特点,唤起人们对伽马射线和高能天文学的关注。我们希望有人能为它取一个琅琅上口又好记的名字,这个名字将频繁地挂在人们的嘴边,成为大家茶余饭后的话题。”
  有人建议就用其缩写首字母G来命名,也有人建议用已故科学家的名字来为该望远镜命名,但是前提是其名未被用于命名其它美国航宇局的太空任务。命名参与者需要提交一份长约25或以下单词数的说明,解释其命名原由。有意者可以通过以下网站将名称发送给美国航宇局:glast.sonoma.edu/glastname。
  
  相关链接
  伽马射线与伽马射线暴
  伽马射线是电磁波谱中波长最短、能量最高的一种射线,波长短于0.1埃,能量通常可达上百万电子伏特。这种射线是从原子核中发出的光子,一般在宇宙中最热的区域产生,也能在超新星爆发等猛烈的事件中产生,还可以在核蜕变以及空间放射性物质衰变过程中产生。伽马射线通常来自宇宙中的双星、脉冲星和黑洞等高密度天体。
  伽马射线暴是伽马射线在短时间内突然增强的现象。γ射线暴的“亮度”相当于全天所有γ射线源“亮度”的总和,爆发释放的能量超过太阳1年所释放能量的1000亿倍。科学家在研究三叶虫化石后认为,伽马射线暴可能是几亿年前导致地球上极大多数生物灭绝的原因。
  伽马射线暴可以分为长、短伽马射线暴两种截然不同的类型。常见的长伽马射线暴持续2秒到几分钟不等,已经被解释清楚了,是恒星坍缩形成黑洞时产生的;短伽马射线暴通常会在一个强烈的高能辐射脉冲中,释放出相当于十亿颗太阳的能量,这种脉冲最多持续2秒钟,因此,天文学家们几乎没有机会进行后续观测,研究短伽马射线暴的本质。
  
  


  伽马射线卫星的三大探测方法
  为了避开地表臭氧层对伽马射线的屏蔽作用,在空间进行伽马射线探测,1972年,美国发射了世界上首颗专门用于观测伽马射线的天文卫星。随后,一些国家开始陆续发射伽马射线天文卫星,欧洲宇宙线观测卫星-B、美国高能天文学观测台-3、美国康普顿伽马射线空间望远镜、美国高能瞬变卫星-2、欧洲国际伽马射线天体物理学实验室、美国雨燕卫星等伽马射线天文卫星先后升空,并取得显著成就。
  伽马射线通过物质时,不像一般的带电粒子那样使物质的原子直接电离或激发,很难聚焦到探测器,但它可以与原子核或核外电子发生电磁相互作用,从而引起3种效应:光电效应、康普顿效应和电子对效应。由于这3种效应会产生次级电子,捕捉这些次级电子的电离和激发,可间接地探测到伽马射线。目前,对伽马射线进行成像探测的仪器有旋转调制准直器、康普顿散射望远镜和电子对望远镜3种,它们代表了三种探测伽马射线的方法。
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