巨型气球探测“蟹状星云”脉冲星异常射线

距离地球6500光年的蟹状星云图像

2011年9月18日，位于新墨西哥州萨姆纳堡的美国宇航局发射场，来自新罕布什尔大学的宇宙学家在这一天将尝试释放一个巨型气球，携带将近一吨重的科学仪器上升至13万英尺的高度，测量来自蟹状星云的伽马射线强度异常现象。蟹状星云距离地球大约6500光年，整个星云是由一颗超新星爆炸而遗留下的残骸，由于其爆炸后的残骸分布像一只“螃蟹”，因而被称为蟹状星云。科学家在星云中探测到了奇怪的伽马射线强度异常，其中一种推测是星云中伽马射线来自神秘的脉冲星。

对于这个奇怪的现象，宇宙学家进行的一项测量研究被称为伽马射线偏振实验（GRAPE），是使用伽马射线偏振仪对空间高能天体物理研究的一种方法，整个实验方案的设计和实施都是由新罕布什尔大学空间科学研究中心来完成。该中心的主要研究范围设计地球科学、海洋研究以及空间探测（EOS），并致力于探索一种全新的技术方法用于研究宇宙天体的伽马射线。具体来说，伽马射线偏振测量实验的目的就是研究宇宙中天体伽马射线的极化效应。

然而，宇宙天体伽马射线的极化效应可在释放方向上产生偏振现象，宇宙学家可以通过对该偏振现象的研究，反推射线源的情况。所以，此种方法能提供射线源的线索和本质，以及该射线源是如何产生辐射的。由距离地球6500光年的蟹状星云中发射的伽马射线，通常是由被加速至光速的高速运动的亚原子粒子间的相互作用而产生，而星云中大量高能粒子的抛射行为，科学家认为是由一个结构狭窄的喷流以接近光速的速度向星云外喷射而形成。

对此，进行该项研究任务的首席科学家马克麦康奈尔（Mark McConnell）解释说：我们认为，蟹状星云中出现的高速粒子束是高能辐射的源头，其同时也被认为是由一颗脉冲星所产生。但是，目前还不清楚那束异常的伽马射线辐射是如何产生的。科学家马克麦康奈尔同时也是美国空间轨道红外天文卫星科学研究中心的教授。

科学家检测来自蟹状星云中伽马射线的偏振情况还可以为天体物理学家提供一个对粒子加速机制研究的机会，粒子加速行为在宇宙中被认为是无处不在，而且是至关重要的。但是，我们目前对其却知之甚少，该过程中产生的辐射，以及如何发生的。从地球的磁场到宇宙深处的脉冲星和黑洞，都存在这样的加速现象。

在18日这天，位于美国国家航空航天局新墨西哥州测试场的探空气球飞行，可能要进行将近40个小时。然而，在飞行高度上，可能还达不到研究要求，研究宇宙伽马射线暴的最终高度可能还需要再高一点。为了实现这一观测技术要求，科学家将使巨型探空气球在南极上空飞行，这是因为在每年的十二月至一月份之间，该区域盛行极地风，整个持续时间在三十至四十天左右。

首席科学家马克麦康奈尔教授认为：要研究宇宙伽马射线暴发生的现象，我们就需要更多的时间，停留在高层大气中的时间越多，对测量越有帮助。这是因为，宇宙伽马射线暴的发生，是呈现一定的规律性且带有特定的发生频率，每天大约发生一次伽马射线暴，其在天空中分布式随机的，一般每次最多在数分钟左右，但对某一个观测区域的伽马射线，就要有特定的观测方案。因此，使用巨型气球进行长途飞行可以测量到更多的伽马射线暴的次数。

伽马射线偏振实验所使用的巨型探空气球于今年的9月13日，在哥伦比亚科学气球维护中心进行电源兼容性测试。在巨大的气球上，搭载了伽马射线偏振实验所用的仪器。而对于蟹状星云中脉冲星异常伽马射线束的探测，在本次飞行期间只需进行24小时的工作时间，就能获得所需要的数据。

将伽马射线偏振仪由气球携带，在高空中探测宇宙伽马射线的概念在过去的15年内就已经开展，并由美国空间轨道红外天文卫星科学研究中心发展起来，在2007年进行了一次小规模的气球示范飞行的测试，测试中携带了一台偏光仪进行实验飞行验证。目前所使用的伽马射线偏振仪是由16个偏光仪构成，全部由美国空间轨道红外天文卫星科学研究中心进行设计和制造。当气球飞至南极上空时，将有32个探测装置用于监视全天伽马射线暴的发生和太阳耀斑辐射。

另外，18日进行的高空气球飞行探测同时也为其他两个实验服务，这两个实验也是由新罕布什尔大学进行。第一个是“快速康普顿望远镜”计划（FACTEL），其研究目的是评估高海拔地区的辐射环境。

“快速康普顿望远镜”计划的基础是美国空间轨道红外天文卫星科学研究中心的科学家和工程师设计制造的康普顿望远镜成像系统，其重量达到了17吨，并于1991年作为康普顿伽马射线空间望远镜（(CGRO)）被送上地球轨道。而这里所指的“快速康普顿望远镜”计划就是该望远镜的升级版，采用了最新的技术生产，大大地提高了观测效率，并能产生更清晰的图像。“快速康普顿望远镜”计划则是由新罕布什尔大学的物理学教授吉姆赖安（Jim Ryan）所领导。

同样在本次飞行中进行实验的第二个工程试验是，硅光电倍增管探测技术，该新型光电倍增管探测由研究项目的助理教授彼得布洛泽（Peter Bloser）主持。这些设备室用来读出伽马射线辐射探测器所产生的信号。这是一项全新的技术，对美国宇航局多数空间应用的研究都具有很高的价值。

伽马射线高空探测试验中使用的高海拔气球，容积可高达3000万立方英尺，这个数字概念相当于一个足球场的大小，该气球目前作为美国国家航空航天局高空实验载具已经工作了超过50年的时间，主要工作区域为太空的边缘。使用气球对宇宙射线进行探测，其具有很高的效费比，费用大大低于发射卫星进行探测，而且耗时更少，其同时也能为学生参与的研究项目提供极好的机会。在本项研究中，有三个物理研究生参与，一些本科生也参与了飞行前的准备工作。
 

腾讯科技讯（Everett/编译）