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γ射线天文学

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  在波长短于X射线(短于 0.01埃)的电磁辐射范围内研究天体的一门学科。γ 射线被地球大气严重吸收,因而只能利用卫星、高空气球、火箭(主要是卫星)来进行探测;能量高于1011电子伏的γ 射线,在地球大气中产生高能粒子簇射(见空气簇射),这种簇射又产生大气切连科夫辐射,所以也有人尝试在地面用大望远镜对宇宙γ射线作间接的观测。γ射线天文学所使用的探测器和地面实验室的类似,有闪烁计数器火花室切连科夫计数器等。
  发展简况 
早在1948年就有人陆续开始进行宇宙γ射线的探测,但都未获成功。1958年,莫里森从理论上预言某些天体可能发射强的γ 射线,提出γ 射线天文学的概念,推动了宇宙γ 射线的探测研究。1962年月球轨道卫星“徘徊者”3号和5号的实验表明,存在宇宙γ 射线背景辐射,在70千电子伏 ~4.4兆电子伏范围其能谱为dJ(E)=0.012E-2.2dEEγ 射线的能量,以兆电子伏为单位,dJ(E)单位为光子数/(厘米2·秒·球面度);0.51兆电子伏谱线上限是0.014光子数/(厘米2·秒),2.23兆电子伏谱线上限是0.005光子数/(厘米2·秒)。宇宙γ 射线背景辐射,经轨道太阳观测台3号(OSO-3)、“阿波罗”15号、小型天文卫星-B(SAS-B)等卫星以及一系列气球探测证实。 100兆电子伏以上的辐射也已经被探测到,但在1~20兆电子伏能量范围内,探测到的γ射线背景辐射流量比由 X射线背景辐射能谱得到的外插流量约大 5倍。鉴于宇宙背景辐射问题对宇宙学的研究具有重要意义,有必要进一步研究γ 射线背景辐射。这个问题的困难在于宇宙背景比较弱,而非宇宙背景的γ 射线背景源又比较复杂。它包括探测器外部的中性辐射和内部产生的辐射。前者包括大气γ 射线、大气中子、探测器周围宇宙线等带电粒子同物质相互作用产生的γ 射线以及中子和电子的轫致辐射等;后者则包括探测器材料固有的放射性和激活。上述这些背景源也是在任何γ 射线天文探测的实验设计时必须考虑的因素。1967年OSO-3卫星探测到来自银盘的能量高于50兆电子伏的γ 射线辐射。它们和氢的密度成正比,在银心处最强。随后又由SAS-B、轨道地球物理台5号(OGO-5)、“特德”-1A(TD-1A)等卫星以及一系列气球探测所证实。SAS-B是探测宇宙γ 射线的专用卫星,它确定发射γ 射线的银盘带宽度小于6°。目前认为平均流量(光子能量大于100兆电子伏)在银心区约为(1~2)×10-4光子数/(厘米2·秒·球面度);银盘区约为(1~2)×10-5光子数/(厘米2·秒·球面度),其能谱似乎有两种成分:荷电宇宙线同星际气体相互作用产生的π0介子衰变谱和与E剷成比例的幂律谱,因此银河γ 射线辐射可能是最早被探测到的由核反应产生的天体γ射线。
  γ射线天文学这一概念的提出虽然早于X射线天文学,但其进展却远远落后于X射线天文学。这是因为宇宙γ射线的探测有一些难以克服的困难:γ 射线流量极低,仪器背景辐射很高,而且至今还没有真正合适的、能精确确定位置的γ射线望远镜。但是,γ射线的谱线具有较大的物质贯穿力,能提供宇宙中具体的核过程信息,使我们能够探测更为遥远的宇宙深处。
  太阳γ射线天文  太阳的γ射线辐射探测,到1958年才取得比较可信的结果。当时发现太阳γ 射线爆发总是伴随着射电爆发,但是具体能量并不清楚。轨道太阳观测台7号卫星探测到了与1972年8月4日和7日的两次太阳强耀斑事件(3B级耀斑)相联系的γ 射线爆发;它出现于耀斑的初始阶段,与脉冲射电爆发、硬X射线爆发紧密相联系,既有连续成分,也出现谱线。强的谱线是0.51和2.23兆电子伏,弱的谱线是4.4和6.1兆电子伏。0.51兆电子伏这条谱线是正负电子对湮没的结果;而2.23兆电子伏谱线只是中子-质子俘获的产物(见太阳γ射线爆发)。
  非太阳 γ射线天文  第一个探测到的地外的γ 射线谱线是由银心方向来的约 0.5兆电子伏的谱线。1970年11月,用气球运载的闪烁计数器探测到476±24千电子伏的γ 谱线,其流量约为8×10-4光子数/(厘米2·秒)。有人认为这是来自重核宇宙线散裂产生的7Li在478千电子伏激发态的退激发;也有人认为是0.51兆电子伏的引力红移的结果。经过1975年的进一步探测,发现约0.5兆电子伏的谱线的中心位置变为530±11千电子伏,因此谱线的本质仍然是一个谜。近来在银心方向还探测到 4.6兆电子伏的γ 射线,它可能是12C的第一激发态(4.43兆电子伏)的激发产生的。
  根据莫里森最初的理论分析,除太阳等天体为γ 射线源外,超新星遗迹蟹状星云也是相当重要的γ 射线源的候选者。随后又有不少理论工作者作出各种预言,但根据实验探测,目前除知道蟹状星云有直到500千电子伏左右的连续谱外,并未确实证明有γ 谱线存在。1~500千电子伏范围的能谱为幂律谱,谱指数2.1~2.2,有些辐射的脉冲周期约为33毫秒,这无疑是属于蟹状星云中的脉冲星PSR0531+21的辐射。近年来,由于小型天文卫星-B和宇宙线观测卫星-B的探测,象这类有γ 射线辐射的脉冲星已发现多个。1972年还出现过一颗明亮的、位于NGC5253的河外超新星SN1972e,其目视星等达8.5等;同时,轨道太阳观测台7号带有γ 射线探测器在轨道中运行,但并未探测到这颗星的任何瞬变的γ射线辐射。
  γ 射线天文学研究对象中,最引人注目的现象是宇宙γ射线爆发。这种爆发最初是监测核爆炸的“维拉”卫星发现的,1967年就有记录,但肯定γ 射线爆发为宇宙现象并公布于世,则是1973年6月的事。γ 射线爆发的能量在3×10-6~5×10-4尔格/厘米2的范围内(100千电子伏以上能段);延续时间几秒,很可能是由不到一秒的小爆发所组成;至今探测到的都是连续谱,未发现γ谱线,平均的光子数谱有下列形式:

dN/dEγ射线天文学(100~400千电子伏),

dN/dEγ射线天文学(400~1,100千电子伏)

Eγ是以千电子伏表示的光子能量。γ射线爆发的事件出现频数约为每年8±2次,出现的方向是随机的,这意味着γ 射线爆发的源或者是在太阳周围几百光年之内,或者是远在银河之外。关于γ射线爆发的本质仍有争议,关键在于至今还没有精确确定出它的位置,因此无法同光学、射电的观测结合起来。这是一个需要研究解决的问题。
  参考书目
 E.L.Chupp, Gamma-Ray Astronomy, D.Reidel Publ. Co., Dordrecht-Holland/Boston,1976.

 

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