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    最大伽马射线计划

    CTA将是现有全球最大的伽马射线捕获设备,它将在南北半球各设立一座天文台。

    CTA将是现有全球最大的伽马射线捕获设备,它将在南北半球各设立一座天文台。

    一个颇具雄心壮志的项目计划建造两座相同的天文台,以探测来自深空的伽马射线——高能光子。该项目已进入重要阶段,27国成员必须从9个可行地点中选出两个,建造切伦科夫望远镜阵列(CTA)。各国争相为这些耗资2亿欧元的设备提供“住处”,他们必须在本月底上交有关该国提供位置的相关情况报告。

    据悉,CTA联盟将在12月底作出最后的选择。“现在所有事情都不确定,任何人都可能赢。”阿根廷探测技术和天体粒子学会会长Alberto Etchegoyen说。上个月,他在CTA会议期间呈交了该国的拟建地点。

    CTA将是现有的全球最大的伽马射线捕获设备,其两个天文台的相关能力将是现有设备的10倍,它力图回答2个重要问题:宇宙射线从哪里来,以及难以捉摸的暗物质是什么。

    “CTA还将向我们展示未知的未知事件,即我们之前从未见过的新现象。”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的天体物理学家Rene Ong说。Ong也是CTA联盟的1000名成员之一。6个国家——美国、墨西哥和西班牙(竞标北部站点),阿根廷、智利和纳米比亚(竞标南部站点)——将与若干提供不止一个地点的国家展开激烈角逐。

    伽马射线是电磁辐射最具能量的形式,来自超新星爆炸、中子星和黑洞等剧烈变化的宇宙环境。在地面探测伽马射线十分困难,主要因为它们会与上层大气中的空气粒子相互碰撞。不过这些碰撞也能触发次级粒子级联,其中一些粒子的速度开始超过光在空气中的传播速度,并且当它们减速时,会发射出名为切伦科夫辐射的蓝色闪光。

    切伦科夫望远镜最初的原型包括一个垃圾桶、一个探照灯反射镜和一个光子探测器,于上世纪50年代在英国组装建成。目前,世界上最大的切伦科夫望远镜是位于纳米比亚的高能立体望远镜系统(HESS),它有5面反射镜,最大的直径为28米。

    因为它们无法远望深空,切伦科夫望远镜不需要高精度的反射镜或标准天文望远镜所需的山顶位置。相反,这些望远镜需要大面积的汇集区,以及灵敏的电子学设备,以便从背景噪声中捕捉微弱的切伦科夫闪光。从这些信号中,天文学家能够推断出每个进入的伽马射线的能量及其来源的粗略位置。

    CTA将是首个全球规模的设备,能够观察整个天空,并能覆盖前所未有的伽马射线能量范围,从20千兆电子伏到超过100万亿电子伏,因此它也将有望捕捉到之前未曾发现的粒子。要做到这些需要约120台望远镜:北部望远镜阵列需要20台覆盖超过1平方公里的区域,南部阵列则需要100台望远镜分布于超过10平方公里的范围内。

    “这是一个终极实验,从没有人打算建造一个比其更大的此类望远镜阵列。”美国切伦科夫望远镜先驱、亚利桑那州惠普尔天文台的Trevor Weekes说。惠普尔天文台VERITAS望远镜发言人Jamie Holder表示:“其科学回报是100%有保证的。迄今为止,只有约10%的天空是以合理敏感性进行观测的。”

    选址的主要标准是,当地需要有大量的无云夜晚、低湿度以及低风速。研究人员在所有地点设置了气象仪器,至少观测了1年时间,并研究当地的气候报告、卫星数据和全球气候模型。CTA联盟还将考虑工程造价、通讯系统和该国愿意为基础设施和设备出资多少。一旦确定建造地点,有关各国出资水平的谈判将开始。

    “我们面临着‘鸡和蛋哪个先有’的情况,因为出资机构在选好地质之前,不愿承诺任何数量的资助,而联盟则希望知道各国将贡献多少,以便能作出更好的决定。”墨西哥国立自治大学物理学家William Lee说。

    西班牙提议特纳利夫岛上的一个地点,但未提及有关资金事宜。“经济部支持我们,但是还未承诺提供任何资金。”加那利群岛天体物理学会的Ramón García López说。尽管当地的CTA科学家提议智利的一个候选地点,但该国并不是CTA联盟的成员。

    不过也有一些正面信号。Etchegoyen提到,阿根廷有“决心在基础设施和科学仪器方面支付1200万欧元,一旦我们入选,我们的工程也将得到巴西的支持”。CTA被包含在欧盟科学基础设施路线图中,是7个最优先考虑的粒子物理学实验之一。

    美国国家科学院在其2010年的10年天文调查中表示支持该项目。今年4月,德国交付了首个中型望远镜原型,并保证提供5000万欧元用于项目建设。

    一旦地址报告在月底全部呈交,一个外部委员会将对这些资料进行分析。最终选址结果将由CTA财政董事会在12月公布,该董事会代表了“来自项目主要资助国家的大约15个基金机构”。CTA联合发言人Manel Martínez说。“我们到2014年底将能批准动工,对此我十分乐观。”CTA发言人Werner Hofmann说,到2017年,CTA将交付首个科学成果,到2019年底将全面运行。

    伽马射线

    伽马射线是原子核能级跃迁蜕变时释放出的射线,是波长短于0.2埃的电磁波。伽马射线有很强的穿透力,工业中可用来探伤或流水线的自动控制。另外它对细胞有杀伤力,医疗上可以用来治疗肿瘤。

    由于TeV级能量的伽马光子数目稀少,地面上的切伦科夫望远镜可以在此波段上弥补空间观测不足。伽马射线不能穿透地球大气,能量最高的那部分光子在与大气相互作用并被吸收时,光子的能量可以传输给大气粒子(如原子核),导致原子核碎裂,并引发空气簇射。当初始的原子核接收到足够高的能量,速度接近光速时,就会产生窄角切伦科夫辐射。切伦科夫望远镜接收的正是高能辐射导致的次级光子,它所获得的图像反映了簇射产生的切伦科夫辐射的方向、强度在望远镜接收方向上的投影,由此可以推测出引发簇射的伽马光子能量与来源。

    目前著名的伽马射线观测天文台主要有:惠普尔天文台和CANGAROO基地。前者位于美国霍普金斯山,以美国天文学家弗雷德·劳伦斯·惠普尔的名字命名。它以在地面首次进行伽马射线天文学观测而闻名。该台发展出了大气层契忍可夫辐射成像技术,并在上世纪80年代早期用于惠普尔10米伽马射线望远镜。CANGAROO已经发展为四架口径为10米的伽马射线望远镜组成的望远镜阵列。高能立体望远镜系统则用于探测伽马射线进入大气层时产生的切伦科夫辐射。(中国科学报 唐凤)





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