飞进宇宙的“小蜜蜂”盯上了神秘“伽马暴”，或将解开黑洞之谜

中国载人航天工程办公室15日透露，天宫二号空间实验室搭载的伽马暴偏振探测仪日前完成了伽马射线暴瞬时辐射的高精度偏振探测，相关成果于1月14日在线发表于国际学术期刊《自然·天文学》。

本次发表的科学成果，是自上世纪60年代伽马暴发现以来所取得的最佳偏振观测结果，有利于更好理解黑洞的形成和极端相对论喷流的产生等基本天体物理过程，将对研究宇宙中极端物理环境和条件下的基础科学问题发挥重要作用。

来自宇宙的酷炫特效——伽马暴

伽马射线暴（简称伽马暴）是自宇宙大爆炸以来，人类所能探测到的宇宙中最强烈的天体爆发现象。它爆发时的亮度极高，比宇宙中其他天体的伽马射线亮度总和还要大，持续时间一般在0.1-1000秒，辐射能量主要集中在0.1-100兆电子伏。

从1973年公布发现伽马暴以来，关于它们的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。自1997年以来，伽马暴的观测研究四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。

目前，人类看到的最遥远的伽马暴（编号GRB 090423）距离地球132亿光年，在它发生时宇宙尚处于儿童时期，仅仅6亿多岁。

伽马暴是如何产生的呢？一般认为有两种模式：一种模式是这种爆发是在大质量恒星死亡的过程中所产生的，另外一种模式是两个致密天体如中子星或者一个中子星和一个黑洞的并合所产生的。这两种过程一般都伴随着黑洞的诞生。

为什么要测量伽马暴偏振？

偏振现象是光的一种特性，当光的电场矢量在垂直于光传播方向的平面内趋于某些方向振动时就会出现偏振。那么根据电场矢量振动方向趋向性的情况，可将偏振光分为完全偏振光、部分偏振光以及非偏振光三种。

其中完全偏振光又分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光三种。部分偏振光是非偏振光和完全偏振光的叠加。自然光即是一种非偏振光。

在自然界中的一些生物，也具有利用偏振光来感知外界的能力。我们常见的小蜜蜂就是个典型的例子：它们有五支眼，其中三支单眼、两支复眼，每个复眼又包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。

那么，伽马暴偏振测量的意义是什么呢？从伽马暴现象的发现至今已长达半个世纪，但对其爆发本质的研究目前还没有一个定论。对于伽马暴的爆发机制，科学家提出了多种理论模型。不同理论模型间对于伽马暴爆发期间产生的伽马射线的偏振状态有所差别。

因此，采用测量偏振的方法，可以对伽马暴的爆发机制进行研究，从而对爆发的物理过程、辐射区结构以及周围磁场的结构进行确认。

测好伽马暴偏振，不是轻松事

宇宙天体产生的伽马射线光子具有以下四个方面的信息：光子的到达时间、能量、方向以及偏振。

目前，科学家对前三个方面都已经有成熟的方法进行探测研究，然而在最后的偏振探测上却遇到了困难。而且是非常大的困难——首先，要捕捉到伽马暴本身就不容易。由于伽马射线在进入大气层时会发生反应，从而在地面无法测量伽马暴产生的伽马射线，必须在外太空实现对伽马暴的观测，这就需要合适的卫星平台。其次，要研制有效面积大、灵敏度高的偏振探测器技术上比较困难。

在天宫二号空间实验室搭载的伽马暴偏振探测仪之前已经有过其他卫星尝试测量伽马暴偏振，但大部分都因为探测仪器自身的系统误差大而无法给出有效的偏振测量结果，而少数系统误差较小的实验的灵敏度又比较差，也没有给出具有统计意义的高精度伽马射线暴偏振测量结果。

纵观伽马暴的研究历史，从上世纪60年代发现至今已有约半个世纪，在过去近25年当中，共有5个空间探测实验项目共计发表了约10个伽马射线暴的伽马射线偏振探测结果。CGRO、RHESSI以及INTEGRAL等尽管报道了几例伽马暴的偏振测量结果，但都由于探测器本身偏振测量系统误差较大、测量结果粗糙，无法对伽马暴辐射机制模型进行任何约束或限制。

后来的GAP和COSI实验在偏振测量系统误差上得到了改善，但是由于有效面积比较小，偏振测量的灵敏度仍然较差，所以得到伽马暴的偏振测量结果也很少，而且精度也不高。

不过，于2016年发射的天宫二号顺利完成了这一任务。它开展了14项体现国际科学前沿和高技术发展方向的空间科学与应用任务，其中包括中欧联合研制的世界上首台大面积、大视场、高精度伽马暴偏振探测仪，成为我国载人航天工程典型的国际合作项目之一。

在轨运行期间，伽马暴偏振探测仪性能良好、标定准确，完成了全部在轨观测任务。其共计探测到55个伽马暴，对其中5个伽马暴进行了高精度偏振测量。这是目前为止国际上最大的高精度伽马暴偏振测量样本，发现伽马暴爆发期间的平均偏振度较低，约为10%，并且发现伽马暴在单个脉冲内偏振角的演化现象。这些观测结果表明，产生伽马射线的极端相对论喷流内部演化可能导致了偏振角的快速变化，使得观测到的伽马射线暴平均偏振度较低。

这些科学发现也提出了新的科学问题。因此，瑞士、德国、波兰等国科学家已经组成扩大的伽马暴偏振探测仪后续国际合作团队，瑞典、日本等国也提出了合作意愿和贡献方式。国际合作团队目前已正式提交中国空间站后续实验“伽马暴偏振探测仪二号”建议书，有望为最终解决黑洞形成和极端相对论喷流产生等重大科学问题作出关键贡献。

编辑：金婉霞
责任编辑：樊丽萍

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