費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡概述

由于有了美國宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，不久后人們可能會(huì)對(duì)超大質(zhì)量黑洞、暗物質(zhì)和被稱作伽馬射線爆的神秘爆炸等一些宇宙中最令人費(fèi)解的現(xiàn)象有更多了解。

費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡由美國主導(dǎo)建造，并得到了法國、德國、意大利、日本和瑞典5個(gè)國家的政府機(jī)構(gòu)及科研組織的資金和技術(shù)支持。它于2008年6月發(fā)射升空，設(shè)計(jì)觀測壽命為5年到10年。

這臺(tái)世界上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡是通過高能伽馬射線觀察宇宙，最初這個(gè)天文臺(tái)被稱作"伽馬射線廣域空間望遠(yuǎn)鏡"(Gamma-ray Large Area Space Telescope)，但是當(dāng)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡建成后開始正常運(yùn)行時(shí)，人們又根據(jù)意大利科學(xué)家恩里科·費(fèi)米的名字給它重新命名。

由于有了美國宇航局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，不久后人們可能會(huì)對(duì)超大質(zhì)量黑洞、暗物質(zhì)和被稱作伽馬射線爆的神秘爆炸等一些宇宙中最令人費(fèi)解的現(xiàn)象有更多了解。

新名字為"費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡"(Fermi Gamma-ray Space Telescope)。選擇這一名稱是為了紀(jì)念高能物理學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)者、美籍意大利裔諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)(1901~1954)。費(fèi)米是第一位對(duì)宇宙粒子如何被加速到高速做出推測的科學(xué)家，他的理論為認(rèn)識(shí)"費(fèi)米"望遠(yuǎn)鏡所要揭示的新現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)?？茖W(xué)家們希望"費(fèi)米"能通過觀測高能伽馬射線來發(fā)現(xiàn)眾多新的脈沖星，揭示超大質(zhì)量黑洞的內(nèi)部機(jī)理，并有助于物理學(xué)家尋找新的自然定律。

在望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后的兩個(gè)月里，科學(xué)家對(duì)其兩臺(tái)儀器進(jìn)行了測試和標(biāo)校。這兩臺(tái)儀器分別是"大區(qū)域望遠(yuǎn)鏡"(LAT)和"GLAST暴發(fā)監(jiān)測器"(GBM)。LAT儀器團(tuán)隊(duì)當(dāng)天展示了一幅全天空圖像，上面有銀河系灼熱的氣體、閃爍的脈沖星和數(shù)十億光年以外一個(gè)閃耀的星系。這幅圖像是利用該儀器95小時(shí)的最初觀測結(jié)果制成的，而利用NASA已退役的"康普頓伽馬射線觀測臺(tái)"制成類似圖像要花數(shù)年的觀測時(shí)間。由于"費(fèi)米"靈敏度極高，所以一些新發(fā)現(xiàn)肯定會(huì)接踵而至。LAT以"巡天模式"工作時(shí)，可每3小時(shí)對(duì)整個(gè)天空掃描一遍。在頭一年的工作過程中，"巡天模式"將占去該望遠(yuǎn)鏡絕大部分的觀測時(shí)間。這些"快照"將使科學(xué)家能對(duì)伽馬射線宇宙所特有的快速變化進(jìn)行監(jiān)測。LAT對(duì)能量為20兆電子伏到超過300吉電子伏的光子敏感。這一能量區(qū)間的上限部分(相當(dāng)于牙科用X射線能量的500多萬倍)目前基本上還未得到探測。

作為"費(fèi)米"上的另一臺(tái)儀器，GBM僅在頭一個(gè)月的工作中就已探測到31次伽馬射線爆發(fā)。這些高能爆炸現(xiàn)象發(fā)生于大質(zhì)量恒星死亡或做軌道運(yùn)行的中子星以螺旋方式相互靠近并融合起來之時(shí)。GBM所能敏感到的伽馬射線能量要低于LAT，從而可為觀測寬大的伽馬射線譜區(qū)提供補(bǔ)充。兩臺(tái)儀器聯(lián)合起來，有可能會(huì)最終揭開伽馬射線暴某些最難解的秘密。

在比可見光能量要高上五千萬倍的伽瑪射線波段巡天，費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡的大面積相機(jī)(LAT)正探索著高能波段宇宙。上面這張全天圖，是用大面積相機(jī)在2008年8月4日到10月30日所取得的數(shù)據(jù)建構(gòu)出來的。和以往類似的太空觀測任務(wù)比較，這是一幅更深、解析度更高的伽瑪射線全天圖。費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的伽瑪射線天空有那些明亮光源?最近一篇論文描述了其中最亮的205個(gè)伽瑪射線源，而上面影像呈現(xiàn)了其中最亮的十顆∶五顆位在我們銀河系內(nèi)，另五顆在銀河系外。在我們銀河系內(nèi)有∶在觀測期間拖曳出一道弧線的太陽、離我們約6,500光年的X射線雙星LSI +61303，在伽瑪射線才能見到閃爍的波霎PSR J1836+5925、離我們約15,000光年遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)杜鵑座47(47Tuc)、及一顆位在銀河盤面中心點(diǎn)上方的未知伽瑪射線源。這個(gè)未知光源很有趣，因?yàn)樗莻€(gè)變光源，而且在其他波段都找不到和它對(duì)應(yīng)的天體。在我們銀河系外的亮源有∶離我們約二億三百萬光年遠(yuǎn)英仙座星系團(tuán)中心的大型星系NGC1275、和3C 454.3、PKS1502+107、PKS0727-115等三個(gè)離我們有數(shù)十億光年遠(yuǎn)的活躍星系，第五個(gè)則是一個(gè)位在銀河盤面下方的未知光源，它的本質(zhì)為何仍是個(gè)待解之謎團(tuán)。

驗(yàn)證愛因斯坦光速理論

2009年10月29日消息，據(jù)美國太空網(wǎng)報(bào)道，美國航天局"費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡"在一年來的觀測中，發(fā)現(xiàn)了最新的高能光線，從而證明了愛因斯坦關(guān)于光速理論的正確性。

費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡是去年才發(fā)射升空的最新天文望遠(yuǎn)鏡，致力于探尋宇宙中最劇烈的大爆炸所產(chǎn)生的伽馬射線。最新的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家能夠看到實(shí)驗(yàn)室中無法復(fù)制的高能光線的作用，從而能幫助科學(xué)家更清晰地研究愛因斯坦的相對(duì)論。

"愛因斯坦在其相對(duì)論中提出了萬有引力觀念，但有些物理學(xué)家總喜歡用其他力的來源取而代之。"加州帕羅奧多斯坦福大學(xué)科學(xué)家、費(fèi)米廣域望遠(yuǎn)鏡(LAT)首席觀測師皮特-邁克遜說:"人們有各種各樣的想法，但缺乏途徑來進(jìn)行驗(yàn)證。"

愛因斯坦相對(duì)論是正確的

許多試圖證明萬有引力理論的努力都將時(shí)空關(guān)系描繪成一種飄忽不定的空洞結(jié)構(gòu)，在物理層級(jí)上比電子還要微小數(shù)萬億倍。這樣的模型打破了愛因斯坦的假設(shè)，即所有的電磁輻射-無線電波、紅外線、可見光、X-射線和伽馬射線在通過真空時(shí)速度是相同的:即都是以光速運(yùn)行。

2009年5月10日，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡和其他探測衛(wèi)星觀測到一次所謂的"短伽馬射線爆發(fā)"，被命名為"GRB 090510"(GRB:伽馬射線暴的英文縮寫)。天文學(xué)家認(rèn)為這種爆炸發(fā)生在中子星相撞時(shí)。進(jìn)一步研究表明爆炸發(fā)生在73億光年外的星系中。

費(fèi)米廣域望遠(yuǎn)鏡觀測到了2.1秒的劇烈爆炸，放射出很多伽馬射線量子，形成兩股巨大能量流，其中一股比另一股高出近一百萬倍。經(jīng)過70多億光年的旅行，它們之間的速度僅有0.9秒的差別。

"此次研究結(jié)果排除了任何關(guān)于萬有引力理論的新觀點(diǎn)，即有人認(rèn)為超高能量會(huì)導(dǎo)致光速發(fā)生變化。"邁克遜說:"在十億億分之一內(nèi)，兩股量子的速度都是一致的。愛因斯坦的相對(duì)論是正確無誤的!"

創(chuàng)造新的記錄

費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡的次級(jí)裝置伽馬射線監(jiān)視器在超過250次的爆炸中發(fā)現(xiàn)了低能量伽馬射線。廣域望遠(yuǎn)鏡則觀測到12次的高能爆炸，其中三次還創(chuàng)下了新的記錄。

上文提到的GRB 090510是觀測到的最遠(yuǎn)爆炸，釋放出的物質(zhì)以光速的99.99995%運(yùn)行。9月份觀測到的GRB 090902B是放射出的伽馬射線能量最高的爆炸，釋放出相當(dāng)于334億伏特的電量，是可見光能量的130億倍!去年觀測到的GRB080916C釋放出的總能量最多，相當(dāng)于誕生了9000個(gè)超新星!

前景無限

廣域望遠(yuǎn)鏡每三小時(shí)會(huì)掃描整個(gè)天空一次，并為費(fèi)米天文臺(tái)的科學(xué)家提供越來越詳盡的資料，幫助他們不斷探索深度宇宙的奧秘。

"我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一千多個(gè)持續(xù)的伽馬射線源-比以前知道的高出了5倍。"美國航天局戈達(dá)德太空飛行中心科學(xué)家朱莉-麥克恩雷說:"我們還利用其它射線與其中的近半數(shù)進(jìn)行了信息互動(dòng)。"

耀變體是一種遙遠(yuǎn)的星系，其巨大的黑洞向我們會(huì)釋放出高速物質(zhì)流。人們普遍認(rèn)為已知超過500個(gè)的耀變體是伽馬射線的主要來源。在銀河系內(nèi)，伽馬射線源包括46個(gè)脈沖星和兩個(gè)雙子星系。在雙子星系中，一顆中子星正圍繞一顆炙熱的新星高速運(yùn)行。

GLAST包括大面積望遠(yuǎn)鏡(Large Area Telescope, LAT)和伽瑪射線爆監(jiān)視系統(tǒng)(Gamma-ray Burst Monitor, GBM)。

大面積望遠(yuǎn)鏡以類似地球上粒子加速器使用的科技偵測個(gè)別伽瑪射線光子。光子撞到一個(gè)薄金屬片后成對(duì)產(chǎn)生電子-正子對(duì)。這些帶電粒子通過交錯(cuò)的硅微條探測器后產(chǎn)生電離，造成微小脈動(dòng)偵測到帶電粒子。粒子經(jīng)過追蹤器后進(jìn)入熱量計(jì)，其中包含一個(gè)以碘化銫晶體制造的閃爍器來測量帶電粒子能量。大面積望遠(yuǎn)鏡的視野廣達(dá)約20%的天空。影像分辨率在天文界屬于中等水平;每數(shù)角分可偵測最高能量光子，而視野為3°時(shí)可偵測100 MeV。大面積望遠(yuǎn)鏡比1990年代康普頓伽瑪射線天文臺(tái)搭載的高能伽瑪射線試驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡更大且更成功。數(shù)個(gè)國家參與制造了大面積望遠(yuǎn)鏡的一部分組件，之后各組件送至史丹佛線性加速器中心的國家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)組合。 研制團(tuán)隊(duì) 美國研究單位

史丹佛大學(xué)物理系GLAST團(tuán)隊(duì)和漢生實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)室

SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室粒子天文物理團(tuán)隊(duì)

戈達(dá)德太空飛行中心天文物理部門

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室高能太空環(huán)境(High Energy Space Environment, HESE)部門

俄亥俄州立大學(xué)物理系

圣塔克魯茲加利福尼亞大學(xué)物理系與粒子物理研究所

索諾馬州立大學(xué)物理與天文系

華盛頓大學(xué)

德州農(nóng)工大學(xué)金士維爾分校

日本研究單位

宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)/宇宙科學(xué)研究所

東京大學(xué)

東京工業(yè)大學(xué)

廣島大學(xué)

早稻田大學(xué)

名古屋大學(xué)

意大利研究單位

意大利國家核物理研究所 (INFN)

意大利太空局

Istituto di Fisica Cosmica, Milano, CNR

巴里大學(xué)

帕多瓦大學(xué)

佩魯賈大學(xué)

比薩大學(xué)

羅馬第二大學(xué)

第里雅斯特大學(xué)

烏迪內(nèi)大學(xué)

法國研究單位

法國原子能委員會(huì)

法國國家太空研究中心

法國國家核子物理暨粒子物理研究所

IN2P3

巴黎綜合理工學(xué)院勒普蘭斯-林蓋實(shí)驗(yàn)室

波爾多格蘭納迪爾核研究中心

理論物理學(xué)與粒子天文物理實(shí)驗(yàn)室，蒙彼利埃

瑞典研究單位

瑞典皇家工學(xué)院

斯德哥爾摩大學(xué)

伽瑪射線爆監(jiān)視系統(tǒng)是使用14個(gè)閃爍器(其中12個(gè)是碘化鈉晶體，偵測8keV至1MeV;另2個(gè)是鍺酸鉍晶體，偵測150keV至30MeV)的偵測器，可偵測全天空儀器能量范圍所有伽瑪射線爆，且不受地球阻擋。 研究團(tuán)隊(duì) 美國研究單位

馬歇爾太空飛行中心

阿拉巴馬大學(xué)亨茨維爾分校

德國研究單位

馬克斯-普朗克太空物理學(xué)研究所(Max Planck Institut für Extraterrestrische Physik)

康普頓是人類當(dāng)之無愧的"宇宙?zhèn)刹煊⑿?quot;。它曾探測到太陽耀斑余輝、高能量宇宙伽馬射線爆叢、銀河系中央高達(dá)2940光年的反物質(zhì)"噴泉"、可能由小型黑洞組成的一群奇特而強(qiáng)大的伽馬射線源……它被投入使用后，人類改變了對(duì)宇宙的整體認(rèn)識(shí)。天文學(xué)家先前曾認(rèn)為伽馬射線爆發(fā)只能在銀河系中才能探測到，而康普頓升空數(shù)月后，科學(xué)家證明伽馬射線源可能位于宇宙的四面八方。

?太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀 (STIS)是安裝在哈柏太空望遠(yuǎn)鏡上，從1997年運(yùn)作至2004年的攝譜儀。他完成了許多重要的觀測，包括第一張大氣和系外行星 Osiris的頻譜圖。

太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀是在1997年第二次維護(hù)任務(wù)時(shí)由李麥克和史蒂文?史密斯裝上，用來替換暗天體攝譜儀(FOS)和戈達(dá)德高解析攝譜儀。他設(shè)計(jì)的工作時(shí)間是五年，但在2004年8月3日因?yàn)橐粋€(gè)電子設(shè)備故障而停止工作之前，已經(jīng)比預(yù)期多工作了兩年。為了讓它恢復(fù)工作，在2008年9月由STS-125執(zhí)行的最后一次維護(hù)任務(wù)，將由太空人進(jìn)行修護(hù)的工作。