文档介绍：高能宇宙
4月25日 9:00 来自:科学松鼠会阅读原文?
转播发送收藏Francis Reddy文Shea编译
两年来,费米γ射线空间望远镜一直注视着宇宙中的活动星系、脉冲星、γ射线暴甚至还有量子引力,为我们展现了宇宙最剧烈的一面。
[图片说明]:由“费米”第一年的数据制做而成的迄今最深、最锐利的γ射线全天图。它显示的是“费米”上的大面积望远镜(LAT),颜色越明亮说明γ射线越多。版权:NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration。
这些以及其他来自γ射线天空的信号携带了宇宙中最剧烈现象的信息。这些高能量辐射也使得科学家们能够探索宇宙学和基本物理学中的关键问题。这是一次漫长的发现之旅,而我们的行程才刚刚开始。随着“费米”观测的不断积累,我们也在越来越深入宇宙,发现其前所未见的细节。
狂彪的光子
γ射线和射电波、可见光以及X射线属同宗,因为它们都是电磁波谱的一部分。γ射线的波长仅有几万亿分之一米——相当于一个原子的尺度或者更小——因此它在电磁波谱中有着最高的频率和能量。简单地说,γ射线是光的最高能量形式。
[图片说明]:2008年6月11日使用“德尔塔”2型火箭“费米”从美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的
17-B发射平台升空。版权:United Launch Alliance/Cartetoneallie。
事实上,电磁波谱中γ射线的能量跨度超过了其他部分的总和。科学家们会使用电子伏特来做为光子能量的单位,它的定义是一个电子经过1伏特的电势加速后所获得的动能。可见光的能量落在大约2~3电子伏特之间。牙医用X光大约为60,000电子伏特。即使能量最低的γ射线,其能量是这个数字的2倍,能量更高的甚至可以达到它的数万亿倍以上。幸运的是,大气为地球上的生命遮挡了危险的γ射线。γ射线天文学的概念则可以追溯到1958年和当时在美国康乃尔大学的理论天体物理学家菲利普·莫里森(Philip Morrison)。他提出可见光——观测天文学的基础——从本质上讲只是次级现象。恒星发光是因为其核心处的核反应所产生的γ射线加热气体所至。其他高能过程中也会产生γ射线,莫里森研究了几种可以发出γ射线的天体。
漫长的成长
虽然莫里森和其他人的研究瞬间激起了天文学家的兴趣,但从太空探测γ射线的早期尝试被证明是非常令人沮丧的。半个世纪后,“费米”在第一年的运转中就发现了1,500个源——相对于以前最佳的情况提高了5倍。然而,始于20世纪60年代的X射线天文学现在已经发现了数万个源。为什么会有这么大的差异呢? 这其中有两个原因:探测宇宙γ射线源比科学家预期的更为困难,此外早期对源强度的预测也过于乐观。γ射线具有很强的穿透能力。它们可以穿透几厘米厚的铅,因此无法聚焦。任何空间γ射线望远镜的口径就等于探测器自身的大小。让事情更复杂化的是,带电粒子也可以伪装成γ射线信号,空间传感器探测到的带电粒子要远远多于它们实际探测到的γ射线。“费米”上先进的大面积望远镜(
LAT)每2分钟也只能大约探测到一个来自船帆座脉冲星——天空中最强的连续γ射线源——的γ射线光子。
“费米”的两台仪器——LAT和γ射线暴监视器(GBM)——代表着目前空间γ射线探测的最高水准。和其他任何卫星相比,它们所能探测到的γ射线能量范围是最宽的,从8,000电子伏特到超过3,000亿电子伏特。这为天文学家提供了一个从未有过的探索极端宇宙的绝佳机会。
那么,它们都看到了些什么呢?
追寻宇宙γ射线
1900年
法国巴黎高等师范大学的保罗·维拉尔(Paul Willard)发现镭能发出的一种穿透能力比X射线更强的辐射。 1903年
加拿大麦吉尔大学的欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)将维拉尔的发现命名为“γ射线”。 1949年
美国芝加哥大学的恩里科·费米(Enrico Fermi)发表了第一个有关星系磁场如何加速宇宙线——以接近
光速运动的电子、正电子和原子核——的定量计算。
1958年
美国康乃尔大学的菲利普·莫里森(Philip Morrison)提出了γ射线天文学的概念。他预言了许多γ射线源,包括超新星爆发和被宇宙射线轰击的星际气体。
20世纪60年代初
NASA的“探险者”11号卫星进行了第一次可靠的宇宙γ射线探测,在9个小时中探测到了22个光子。使用气球和地面大气切伦科夫望远镜的尝试则均未果。
1967-1969年
NASA的轨道太阳天文台-3探测到来自深空的621个γ射线光子。它证实了银河系γ射线辐射来自宇宙线相互作用并且发现了弥漫γ射线背景。
1969年夏
美国空军