高能光子探測(cè)器成探查極端宇宙“秘密武器”
發(fā)布者：方婷 發(fā)布時(shí)間：2016-12-17 10:16:41
高能天體物理是當(dāng)代天文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在X射線(xiàn)與伽瑪射線(xiàn)的天空里，從雙致密星的死亡之舞，到星系中心的特大質(zhì)量黑洞，最狂暴的天體現(xiàn)象紛紛上演。
但是，探查極端宇宙并非易事，一般除了要進(jìn)入太空來(lái)回避地球大氣的吸收之外，還要準(zhǔn)備專(zhuān)門(mén)的高能光子探測(cè)器。這些高能探測(cè)器無(wú)論是工作原理還是外觀(guān)，都與常人印象中的望遠(yuǎn)鏡相去甚遠(yuǎn)。
光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是通過(guò)反射或折射來(lái)匯聚光線(xiàn)并成像的，就算波長(zhǎng)拓展到紅外或射電波段，相應(yīng)的儀器也還是利用反射面來(lái)聚焦天體輻射。
但是在電磁波譜的另一端，一旦跨入波長(zhǎng)短于數(shù)十納米、單個(gè)光子能量超過(guò)數(shù)十電子伏特的極紫外區(qū)域，傳統(tǒng)意義的聚焦就難以為繼了。這些極紫外或X射線(xiàn)輻射可以直接穿透物質(zhì)或被吸收，從而讓我們熟悉的折射或反射失效。
但如同石子在高速掠過(guò)水面時(shí)可以彈起一般，近乎平行于反射鏡入射（即掠射）的X射線(xiàn)光子也能被全反射出去。只要選擇X射線(xiàn)吸收率較低的材料來(lái)建造反射鏡，并合理組合鏡面形狀，即可制成X射線(xiàn)聚焦望遠(yuǎn)鏡。
X射線(xiàn)聚焦望遠(yuǎn)鏡最經(jīng)典的布局就是下圖所示的光路，掠射光依次經(jīng)過(guò)拋物面和雙曲面，抵達(dá)焦面。如果將多組鏡面組合成套筒，更能在有限的體積內(nèi)有效提升望遠(yuǎn)鏡的集光面積。圖中描繪了4層彼此嵌套的反射鏡，與美國(guó)航天局的錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺(tái)結(jié)構(gòu)相同。
致密星 超大黑洞 我們?nèi)绾翁綔y(cè)宇宙的極端一面？
當(dāng)光子能量繼續(xù)增高，達(dá)到硬X射線(xiàn)或軟伽瑪射線(xiàn)的范疇時(shí)，掠射也無(wú)濟(jì)于事，我們要換用無(wú)聚焦的編碼掩模來(lái)開(kāi)展觀(guān)測(cè)。
簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，掩模本體由對(duì)高能光子透明與不透明的金屬掩模元交替排列而成，憑借接收端儀器上掩模元投影的位置與強(qiáng)度分布，即可推知輻射源的真實(shí)影像。因此在設(shè)計(jì)掩模時(shí)，關(guān)鍵就是要保證不同角度入射的光子投影結(jié)果唯一，以實(shí)現(xiàn)源區(qū)的準(zhǔn)確還原。
左：編碼掩模工作原理示意，紅藍(lán)兩輻射源通過(guò)掩模在接收儀器上留下的投影形狀一致，但位置有所區(qū)別，可以由此還原影像（圖/ESA）；右：國(guó)際伽瑪射線(xiàn)天體物理實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星使用的編碼掩模（圖/GACE）。
然而，想要接收的光子能段越高，掩模元就必須做得越厚重，直到超過(guò)火箭的運(yùn)載能力。
為了瞥見(jiàn)能量更高的硬伽瑪射線(xiàn)，人們轉(zhuǎn)而利用光的粒子性。其探測(cè)原理包括高能光子激發(fā)熒光材料釋放閃光，高能光子在半導(dǎo)體內(nèi)部生成電子-空穴對(duì)，以及高能光子與物質(zhì)層板相互作用后轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子等。
這些原理分別對(duì)應(yīng)閃爍體、半導(dǎo)體和粒子對(duì)產(chǎn)生探測(cè)器，其性能與適用場(chǎng)合各有千秋。但是除了伽瑪光子，帶電的宇宙線(xiàn)同樣會(huì)讓這些探測(cè)器記錄下類(lèi)似的信號(hào)，因此這時(shí)包裹在探測(cè)器外部的屏蔽層必不可少。這些屏蔽層只對(duì)帶電粒子有反應(yīng)，只有在其未被觸發(fā)的情況下，才能確定探測(cè)信號(hào)來(lái)自光子。
到了能量最高的特高能區(qū)（單個(gè)光子能量可達(dá)可見(jiàn)光的數(shù)萬(wàn)億倍），源于天體的光子數(shù)量稀少，空間探測(cè)并不劃算，所以相關(guān)觀(guān)測(cè)更適合在地面進(jìn)行。
這時(shí)，就可以利用大氣對(duì)高能光子的吸收：入射光子將能量轉(zhuǎn)移給大氣原子，導(dǎo)致后者破碎，并引發(fā)級(jí)聯(lián)式簇射，涌出大批能量逐級(jí)遞減的粒子。如果初期轉(zhuǎn)移的能量足夠大，讓簇射粒子的飛行速度超過(guò)空氣中的光速，粒子就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射，類(lèi)似飛行器突破音障時(shí)的音暴。
這種幽暗的輝光就是大氣成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)，根據(jù)切倫科夫光的方向和分布即可反推伽瑪源的信息。水切倫科夫望遠(yuǎn)鏡則是要捕獲高速簇射粒子穿過(guò)專(zhuān)用水池時(shí)激起的切倫科夫光，其余與前者類(lèi)同。
大氣成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列HESS。（圖/HESS合作組）
除以上所述天文探測(cè)器外，新型儀器的開(kāi)發(fā)也在陸續(xù)進(jìn)行著，如借助晶體衍射來(lái)聚焦伽瑪射線(xiàn)的勞厄透鏡探測(cè)器、視場(chǎng)超大的龍蝦眼式掠射光路、高靈敏度的多層硅片孔隙式掠射鏡，等等�？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著探測(cè)器技術(shù)的日新月異，宇宙最極端的一面將更加清晰地展現(xiàn)在世人面前。
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