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巨型氣球探測“蟹狀星云”脈沖星異常射線

地球


巨型氣球探測“蟹狀星云”脈沖星異常射線

距離地球6500光年的蟹狀星云圖像
2011年9月18日，位于新墨西哥州薩姆納堡的美國宇航局發射場，來自新罕布什爾大學的宇宙學家在這一天將嘗試釋放一個巨型氣球，攜帶將近一噸重的科學儀器上升至13萬英尺的高度，測量來自蟹狀星云的伽馬射線強度異?，F象 。蟹狀星云距離地球大約6500光年，整個星云是由一顆超新星爆炸而遺留下的殘骸，由于其爆炸后的殘骸分布像一只“螃蟹”，因而被稱為蟹狀星云 ?？茖W家在星云中探測到了奇怪的伽馬射線強度異常，其中一種推測是星云中伽馬射線來自神秘的脈沖星 。
對于這個奇怪的現象 ， 宇宙學家進行的一項測量研究被稱為伽馬射線偏振實驗（GRAPE） ， 是使用伽馬射線偏振儀對空間高能天體物理研究的一種方法，整個實驗方案的設計和實施都是由新罕布什爾大學空間科學研究中心來完成 。該中心的主要研究范圍設計地球科學、海洋研究以及空間探測（EOS），并致力于探索一種全新的技術方法用于研究宇宙天體的伽馬射線 。具體來說，伽馬射線偏振測量實驗的目的就是研究宇宙中天體伽馬射線的極化效應 。
然而 ， 宇宙天體伽馬射線的極化效應可在釋放方向上產生偏振現象，宇宙學家可以通過對該偏振現象的研究，反推射線源的情況 。所以，此種方法能提供射線源的線索和本質，以及該射線源是如何產生輻射的 。由距離地球6500光年的蟹狀星云中發射的伽馬射線 ， 通常是由被加速至光速的高速運動的亞原子粒子間的相互作用而產生，而星云中大量高能粒子的拋射行為，科學家認為是由一個結構狹窄的噴流以接近光速的速度向星云外噴射而形成 。
對此 ， 進行該項研究任務的首席科學家馬克麥康奈爾（Mark McConnell）解釋說：我們認為，蟹狀星云中出現的高速粒子束是高能輻射的源頭，其同時也被認為是由一顆脈沖星所產生 。但是，目前還不清楚那束異常的伽馬射線輻射是如何產生的 ?？茖W家馬克麥康奈爾同時也是美國空間軌道紅外天文衛星科學研究中心的教授 。
科學家檢測來自蟹狀星云中伽馬射線的偏振情況還可以為天體物理學家提供一個對粒子加速機制研究的機會，粒子加速行為在宇宙中被認為是無處不在，而且是至關重要的 。但是，我們目前對其卻知之甚少 ， 該過程中產生的輻射，以及如何發生的 。從地球的磁場到宇宙深處的脈沖星和黑洞，都存在這樣的加速現象 。
在18日這天，位于美國國家航空航天局新墨西哥州測試場的探空氣球飛行，可能要進行將近40個小時 。然而 ， 在飛行高度上，可能還達不到研究要求，研究宇宙伽馬射線暴的最終高度可能還需要再高一點 。為了實現這一觀測技術要求 ， 科學家將使巨型探空氣球在南極上空飛行，這是因為在每年的十二月至一月份之間，該區域盛行極地風 ， 整個持續時間在三十至四十天左右 。
首席科學家馬克麥康奈爾教授認為：要研究宇宙伽馬射線暴發生的現象，我們就需要更多的時間，停留在高層大氣中的時間越多 ， 對測量越有幫助 。這是因為，宇宙伽馬射線暴的發生 ， 是呈現一定的規律性且帶有特定的發生頻率，每天大約發生一次伽馬射線暴，其在天空中分布式隨機的，一般每次最多在數分鐘左右，但對某一個觀測區域的伽馬射線，就要有特定的觀測方案 。因此 ， 使用巨型氣球進行長途飛行可以測量到更多的伽馬射線暴的次數 。
伽馬射線偏振實驗所使用的巨型探空氣球于今年的9月13日 ， 在哥倫比亞科學氣球維護中心進行電源兼容性測試 。在巨大的氣球上，搭載了伽馬射線偏振實驗所用的儀器 。而對于蟹狀星云中脈沖星異常伽馬射線束的探測，在本次飛行期間只需進行24小時的工作時間，就能獲得所需要的數據 。
將伽馬射線偏振儀由氣球攜帶，在高空中探測宇宙伽馬射線的概念在過去的15年內就已經開展，并由美國空間軌道紅外天文衛星科學研究中心發展起來，在2007年進行了一次小規模的氣球示范飛行的測試 ， 測試中攜帶了一臺偏光儀進行實驗飛行驗證 。目前所使用的伽馬射線偏振儀是由16個偏光儀構成，全部由美國空間軌道紅外天文衛星科學研究中心進行設計和制造 。當氣球飛至南極上空時，將有32個探測裝置用于監視全天伽馬射線暴的發生和太陽耀斑輻射 。
另外，18日進行的高空氣球飛行探測同時也為其他兩個實驗服務，這兩個實驗也是由新罕布什爾大學進行 。第一個是“快速康普頓望遠鏡”計劃（FACTEL） ， 其研究目的是評估高海拔地區的輻射環境 。
“快速康普頓望遠鏡”計劃的基礎是美國空間軌道紅外天文衛星科學研究中心的科學家和工程師設計制造的康普頓望遠鏡成像系統，其重量達到了17噸，并于1991年作為康普頓伽馬射線空間望遠鏡（(CGRO)）被送上地球軌道 。而這里所指的“快速康普頓望遠鏡”計劃就是該望遠鏡的升級版，采用了最新的技術生產，大大地提高了觀測效率，并能產生更清晰的圖像 ?！翱焖倏灯疹D望遠鏡”計劃則是由新罕布什爾大學的物理學教授吉姆賴安（Jim Ryan）所領導 。
同樣在本次飛行中進行實驗的第二個工程試驗是，硅光電倍增管探測技術，該新型光電倍增管探測由研究項目的助理教授彼得布洛澤（Peter Bloser）主持 。這些設備室用來讀出伽馬射線輻射探測器所產生的信號 。這是一項全新的技術，對美國宇航局多數空間應用的研究都具有很高的價值 。
【巨型氣球探測“蟹狀星云”脈沖星異常射線】伽馬射線高空探測試驗中使用的高海拔氣球，容積可高達3000萬立方英尺，這個數字概念相當于一個足球場的大??，笎烒球臍ぐ作为脭r液嬌蘸教煬指嚦帳笛樵鼐咭丫ぷ髁順?0年的時間，主要工作區域為太空的邊緣 。使用氣球對宇宙射線進行探測 ， 其具有很高的效費比，費用大大低于發射衛星進行探測 ， 而且耗時更少，其同時也能為學生參與的研究項目提供極好的機會 。在本項研究中，有三個物理研究生參與，一些本科生也參與了飛行前的準備工作 。
 
騰訊科技訊（Everett/編譯）