比X射线波长更短的γ射线是目前所知道的能量最高的电磁波。因为波长极短,这种射线表现出的一些特性不像电磁波,倒是更像一个个粒子。在这里不妨说一下,低能的、长波的电磁波一般更多表现出波的性质,而高能的、短波的电磁波则多表现出粒子的性质,也就是电磁波的“波粒二象性”的体现。对于γ射线来说,这种高能电磁波一般不用波长描述它有多短,而是用能量来描述它的能量有多高。而这个能量单位也很特殊,叫作电子伏特,意思是给一个电子加上一伏特电压后,看看它运动的能量达到了多少。
γ射线的能量有多少电子伏特呢?少说了有上万个电子伏特,多的话可以到一百万亿、几十吉个电子伏特。绝大多数来自太空的γ射线都会被地球大气层吸收,因此直到开发出γ射线接收仪器并以气球和太空探测器送到大气层以上之前,γ射线天文学一直无法发展。20世纪90年代,康普顿γ射线天文台(Compton Gamma-Ray Observatory,CGRO)发射升空。值得一提的是,康普顿γ射线天文台、钱德拉X射线天文台、哈勃空间望远镜、斯皮策空间望远镜并称为“大型轨道天文台计划”,是美国宇航局研制的4台大型空间望远镜,每个设备的产出成果都赫赫有名。
康普顿 γ射线天文台
图片来源:NASA/肯·卡梅伦(Ken Cameron)
康普顿γ射线天文台于1991年4月5日发射升空,运行轨道高达450千米,当然是为了避开前文所说的范艾伦辐射带的影响。这个天文台上携带了这样几个设备:爆发和瞬变源试验设备(BATSE ),由8台同样的装置组成,分别安装在卫星的8个角上。目的是探测持续时间很短的γ射线暴。定向闪烁光谱仪(OSSE)由4台探测器组成,分为两组,每一组都可以独立观测。康普顿成像望远镜(COMPTEL) ,其中目的之一是观测重元素铝的谱线;高能γ射线试验望远镜(EGRET)用于观测高能γ射线。基于这些仪器,康普顿γ射线天文台有了一些新的收获,比如发现了上千个γ射线线暴——这是一种短时间内突然增强的γ射线信号。数十年来,人们对其本质了解得还不很清楚。其中最著名的一个发生在1999年1月23日。当天,康普顿γ射线天文台发现了这个信号,持续时间长达一分半钟左右。录得爆发的第25秒为γ射线峰值,至第40秒出现另一个峰值。这场爆发的威力颇大,爆发后天文学家使用光学望远镜拍下当日γ射线暴的可见光余晖照片,其亮度一度达到9等,不少业余天文学家使用双筒望远镜都能观测到这个天体。
月球射电暴 图片来源: D.J.Thompson, D.L.Bertsch(NASA/GSFC),D.J.Morris(UNH),R.Mukherjee (NASA/GSFC/USRA)
费米γ射线空间望远镜 图片来源: NASA(www.xing528.com)
康普顿γ射线天文台工作了9年,它的继任者费米γ射线空间望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope, FGST)在2008年发射升空。虽然在它之前,还有几个γ射线空间望远镜发射,但都是一些执行专门任务的设备,比如雨燕天文台就是专门去观测γ射线暴的设备,包括了γ射线波段的预警探测器,以及X射线和光学的余晖观测望远镜。与康普顿γ射线天文台不同,费米γ射线空间望远镜是一个低轨道的高能望远镜(“费米”的轨道高度约500千米,和“康普顿”差不多),它要做的事情与之前不同之处在于,它要进行γ射线波段的大视野成像观测——它搭载了一台大面积望远镜,而另外的设备则是在全天范围内继续监测γ射线暴。这个大面积望远镜取得了令人叹为观止的高能光波段的宇宙照片,其中最著名的一幅是银河的两个巨大的γ射线泡泡,后来被命名为“费米泡”,它从银河中心向四周伸展开,范围达到25 000光年。
费米γ射线空间望远镜的其他发现也振奋人心。第一个大的突破是发现了纯γ射线脉冲星,其中之一位于超新星遗迹CTA 1中,其辐射都落在了γ射线范围之内,在以往发现的各种脉冲星中,辐射一般是在射电波段、光学波段甚至X射线波段,而γ射线脉冲星这种天体是由费米γ射线空间望远镜首次发现的。此外,费米γ射线空间望远镜发现了几次著名的γ射线暴事件,2008年发生的GRB 080916C γ射线暴事件是到目前为止最为猛烈的一次,爆发能量相当于Ia型超新星的5 900倍。2013年发生的另一次γ射线暴事件GRB 130427A,则刷新了时间上的记录,这次γ射线暴在高能端辐射长达数个小时,而整个时间持续了近一天。2017年8月费米γ射线空间望远镜观测到一次γ射线暴事件,GRB 170817A,是人类第一次在电磁波段看到的和引力波成协(指两种现象是相关的)的天体。当天,这个源首先被引力波探测器LIGO发现,不到2秒之后费米望远镜独立探测到γ射线暴,并在十几秒之后发出了警报。随后,各个波段的观测都有了收获。通过定位,人们找到了这次引力波事件的源头:一次双中子星合并事件。这是人类第一次准确地看到了那个宇宙波澜的源头……
高能空间望远镜的资料看起来并不那么友善,西多看得晕晕乎乎,很快就累得睡着了。梦里面,一架奇奇怪怪的空间望远镜从他头顶飞过去,前面长着长长的胳膊,还冲西多招了招手。
费米γ射线空间望远镜拍摄的银河系中心γ射线泡
图片来源:美国国家航空航天局戈达德航天中心(NASA's Goddard Space Flight Center)
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