天宫二号带了个迷你天文台上天！“天极”望远镜，有多牛？
果壳
2016-09-15
发射架上的天宫2号。摄影：孙浩
作者：熊少林、张双南、张永杰、徐明、孙建超
编辑：Ent、水白羊
都知道地球很危险，还是移民火星吧；火星也免不了被太阳烤熟，早日前往比邻星才是正道；比邻星也会被参宿四炸到，到时候得去开普勒452b；开普勒452b还是会挨陨石，躲开恒星系才能幸免……
图片来源：123rf
但是有些危险靠傻乎乎地跑是跑不掉的。宇宙中有一种灾难，虽说极为罕见，但能量太大，方向又太集中，运气足够糟糕的话，几千几万光年之外一样炸到你。而躲开它的方法，不能是瞎跑一气。我们必须知道它是怎么产生的，有什么特征，预测到它的到来，才能找到办法应对——
而这，就是刚刚升空的“天宫二号”任务的一个小目标。
天宫的任务
“天宫二号”是真正意义上的空间实验室，搭载了十几个用来开展空间科学或者其他新技术实验的仪器设备，从“烧造”新材料的“太空炉子”，到“种瓜种菜”的“太空大棚”；有可以自动控制的，也有需要航天员手动操作的……有了这座新宫，我们的航天员就有了自己飞在天上的实验室，以及，一个迷你天文台！
架设在新宫迷你天文台里的望远镜可不一般，它叫“天极”，是一架探测伽马射线的望远镜，而且不是普通的伽马射线望远镜，天极是一架“伽马暴偏振望远镜”。
而伽马暴正是开篇所说的那种灾难。这不是什么迫在眉睫的危机，短期内我们被伽马暴直接命中的可能性可以忽略不计；但我们知道它在宇宙中时不时就会发生。正确的做法，当然是趁它没有打到我们的时候，看戏（划去）研究啦。
伽马射线是个啥？
伽玛射线与眼睛能看见的光一样，都是电磁波的一种。电磁波就像湖面的水波，“上下”震荡着向前传播。电磁波按波长（相邻两个波峰的距离）从长到短，可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线，波长越短，能量越强。因此，波长最短的伽玛射线也是能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。可以穿透连X光都无法穿透的障碍。想挡住伽玛射线则需要厚厚的墙、铅砖或者….地球大气层。
能把伽马射线挡住的大气层 来源：NASA
正因为我们有大气层，所以宇宙中产生的小剂量伽玛射线才无法到达地面毁灭地球生物；也因为大气层的存在，想要探测小量的伽马射线，只能想办法绕开这层障碍，就比如，把望远镜架在太空里。
伽马暴又是个啥？
伽玛暴是宇宙伽玛射线暴的简称。顾名思义，它是宇宙中突然产生的伽玛射线大爆发。在晴朗的夜空，普通人肉眼最多可见九千多颗星星，它们大部分都是恒星——就像咱们的太阳。不过有些恒星虽然个头比太阳大几十倍，但寿命（从形成至死亡的时间）却比太阳短得多。
在它们生命的尽头，整个恒星会发生剧烈的爆炸，然后逐渐被压缩成黑洞，开始吞噬周围的一切。然而，并不是所有物质都会被黑洞吞掉，有一部分会以近乎光速喷发而出，就像一束绽放的“烟花”，时间虽短（最长不过数千秒，短则不到百分之一秒），却亮过全宇宙其他天体的总和，在一瞬间释放出相当于太阳一生所释放的能量。这瞬间爆发的巨大能量中就包含着极其强烈的伽马射线，这就是伽马暴。
伽马暴的艺术家想象图。当一颗巨大恒星坍缩为黑洞时，有可能会在短时间内向旋转方向的两级释放出大量的伽马射线。图片来源：Nicolle Rager Fuller, NSF
两个黑洞相互靠近、高速绕转、逐渐靠近、直至碰在一起剧烈合并成为一颗黑洞的过程中也可能产生伽马暴。这个过程是不是有点儿眼熟？没错，这也是引力波的产生过程。科学家估计，两颗致密星（比如黑洞、中子星）碰撞合并的过程不仅能产生引力波，也可能或很可能产生伽玛暴。这类伽玛暴通常比恒星生命晚期爆炸产生的伽玛暴要短，但发射的伽玛射线的平均能量更高。
两颗致密星（黑洞或中子星）产生引力波（图片来自网络）
我们已经探测到了三例双黑洞系统产生的引力波，但还没有探测到对应的伽玛暴。未来几年，“天极”将监测搜索引力波暴对应的伽玛暴。如果幸运地探测到与引力波事件关联的伽玛暴，将无疑有助于揭开这宇宙中最绚烂烟花的起源之谜。
伽马、射线、暴……还有个“偏振”又是啥？
看图说话吧，如图所示，电磁波向左传播，跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场，它们也互相垂直，其中电场的振动方向就叫做电磁波的偏振方向。伽玛暴发出的伽玛射线也是电磁波，伽玛射线的偏振就是伽马射线电场的振动方向。
电磁波的示意图。图片来源：中科院科学传播局
没看懂对吧？让我们举个例子。假设你站在房间里，窗户上装着竖状的防盗栏杆，如果想向屋外递出一个大的圆盘，你必须把盘子竖过来顺着栏杆方向递出去，否则会被栏杆卡住。整束伽玛光子就类似这个圆盘，如果你在光路上放一个能拦住电磁波的栏杆，那么就只有与栏杆方向顺着的偏振方向上的光子才能完全透过这个栏杆，别的偏振方向的光子透过去的强度会减少，与栏杆垂直的偏振方向上的光子则完全不能透过。
你在生活中就能看到这样的栏杆，它们叫做偏振滤片。正是利用了这个原理，我们可以带上偏振眼镜看3D电影，还可以做成摄影用的旋转偏振滤镜放置在相机镜头前使天空变得更蓝，或滤掉水面的反射光从而清晰地拍摄水中的鱼。
无偏（即偏振方向分布在各个方向）的电磁波经过偏振过滤片后得到偏振光。图片来源：中科院科学传播局
知道伽马暴偏振是啥了，探测它干啥？
伽玛暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次——恒星、星系以及宇宙学联系起来。虽然这十几年来人们对伽玛暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。
对伽玛暴伽玛射线偏振的研究可以为许多伽玛暴问题提供新的线索——当然，也有助于在遥远的未来躲开它。天文学的发展向来是由观测驱动的，理论的突破往往建立在新的观测基础之上。对科学家来说，望远镜是天文学这列火车的车头。天文学家一方面把望远镜做得更大更灵敏，让火车跑得更快，但同时还得思考如何修建新的铁路让火车奔向更广阔的世界。伽玛射线偏振探测就是这样一条新铁路。
科学家对宇宙中伽马射线所包含的四种信息中的三个（到达时间、能量、方向）都已经有了成熟探测办法，唯独对偏振无能为力。想要测量它太难了，科学家努力了40多年，迄今仍然没有合适的方法能够对伽玛暴偏振进行高精度的系统性探测研究。然而，很快，天极望远镜就将为伽玛暴研究打开一扇新的窗口，将我们带入一片全新的天空，探索宇宙的“天机”。