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DeepTech深科技停滞40余年！今清华团队领衔，实现史上第二次天体X射线偏振测量( 二 )


然而在过去的 40 多年里 ， 这次测量竟然成为人类唯一一次成功测量到太空的 X 射线偏振 。 尽管此后科学家们不断论证 X 射线偏振的用处 ， 预言探测偏振对天体物理的科学价值 ， 却再也没有第二个 X 射线偏振探测设备在空间运行 。
时隔四十多年再获成功
“X 射线偏振探测和光学探测在天文学中代表的物理意义是不同的 ， 因此也是无法替代的 。 ”冯骅表示 。 从半个世纪前科学家尝试打开这一探测窗口 ， 也说明大家意识到了它的重要性 。 在过去几十年里 ， 各国科学家也都在努力重启这一探测窗口 。
但一直以来 ， 探测灵敏度不足 ， 被认为是 X 射线偏振技术的主要瓶颈之一 。
技术转机最终出现在 2001 年 。 当时欧洲的粒子物理科学家 ， 做了一个很大的环形对撞机 ， 为了在环形对撞机的顶点周围探测这些粒子径迹 ， 他们发展了高分辨率的二维位置灵敏的气体探测器 。 最终来自意大利的科学家证实了这种新型粒子探测技术可用于高灵敏度 X 射线偏振测量 。 冯骅团队认为 ， 这为 X 射线偏振测量带来了“一种近乎理想的探测技术” 。
2009 年 ， 回到清华大学任教不久的冯骅开始带领团队 ， 在国际合作的基础上 ， 对 X 射线偏振探测技术进行探索和改进 。 直到 2018 年 10 月 ， 探测器搭载在铜川一号卫星发射升空 ， 这个只有火柴盒大小的探测器 ， 在结合了多国研究成果的基础之上 ， 最终也凝结了冯骅团队前后近 10 年的研发心血 。 如今 ， 探测器发射已经超过一年半 ， 包括该探测器在内的科学仪器仍在持续工作当中 。
DeepTech深科技停滞40余年！今清华团队领衔，实现史上第二次天体X射线偏振测量
本文插图

这个小小的探测器 ， 其最上方有一个蜂窝煤状的准直器 ， 作用是屏蔽掉其他方向过来的 X 射线 ， 以提高信噪比 。 而真正灵敏的部分是一个仅一元硬币大小的气体腔室 ， 在探测过程中 ， X 射线被腔室吸收之后 ， 产生一个电子 ， 然后电子运动会留下一个径迹 ， 这就是传感器能够直接测量到的图像 。 研究团队再分析电子运动的图像 ， 来最终推测入射光的 X 射线偏振 。
此次研究仍然聚焦在蟹状星云 ， 它是首个被确认与人类所观测到过的超新星爆发事件有关的天体区域 ， 其中心为一颗脉冲星 ， 探测器就要锁定来自蟹脉冲星的信号 。
根据论文 ， 极光探测器在 2019 年 7 月 23 日成功捕捉到了蟹脉冲星的一次 “旋转频率突增” 事件 ， 研究人员则根据脉冲信号的相位分布和时间分布 ， 将数据分别按 “高相位（on-pulse）与低相位（off-pulse）” 和“旋转频率突增事件发生前与旋转频率突增事件发生后”的分类进行了分析 。 根据结果 ， 高相位处的脉冲信号所展现出的偏振信息在 “旋转频率突增事件” 后有发生突变 ， 低相位处的偏振信息则没有太大的变化 ， 而在按时间顺序划分的数据上 ， 研究人员认为在 “旋转频率突增事件” 发生后的 30 到 100 天内 ， 信号偏振信息中的 “偏振比例（polarization fraction）” 呈现出明显的下降趋势 ， 并排除了背景辐射信息以及仪器灵敏度会对蟹脉冲星辐射信号的偏振信息构成影响的可能 。
研究认为 ， 信号所呈现出的 “偏振比例突变” 可能是由旋转频率突增事件发生后 ， 信号的 “偏振角（polarization angle）” 信息所呈现出的急剧变化造成 ， 虽然蟹脉冲星所在的蟹状星云本身的辐射偏振信息发生改变也有可能会使观测数据呈现这种变化趋势 ， 但如果不是这种情况的话 ， 在 “高相位” 处出现信号高偏振的情况对目前几乎所有已知的脉冲星模型来说都将是一个挑战 ， 因此人们很有必要在未来使用更为先进的观测手段 ， 对此类事件进行进一步的跟踪探测和研究 。
研究人员表示 ， 此次研究的意义在于它证实了 “软 X 射线偏振观测法” 在实际的观测活动中 ， 能以较低的时间和经济成本产出有意义的数据 ， 而这将为后续一些其它还在计划中的 “软 X 射线偏振探测器” 项目提供强有力的支持 ，正式宣告了 “软 X 射线偏振观测法” 在宇宙探索任务中的回归 。


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