大家知道，我们眼睛能看见的光叫做可见光。伽马射线与可见光一样，都是电磁波。电磁波就像湖面的水波，震荡着向前传播。电磁波按波长（即相邻两个波峰的距离），从长到短，可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线等。因此，伽马射线是波长最短、能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。
电磁波能谱示意图
伽马射线有很强的穿透性。稍厚的窗帘就能有效遮挡可见光，而屏蔽伽马射线则需要厚厚的墙、铅砖或者地球大气层。正因为有大气层，宇宙天体产生的各种伽马射线才无法到达地面毁灭地球生物！也因为有它，人们只能在太空中使用卫星探测宇宙产生的伽马射线，包括伽马暴。
1）恒星的“生命之花”
伽马暴是宇宙伽马射线暴的简称。顾名思义，它是宇宙中突然产生的伽马射线大爆发，就像涓涓细流突然变成滚滚大江。那么，它到底是怎样发生的？
在晴朗的夜空，普通人肉眼可见九千多颗星星，其中大部分是恒星——与太阳是同类。有些恒星比太阳大几十倍，它们从形成至死亡的时间（寿命）比太阳短得多。在它们一生辉煌即将结束之际，将发生剧烈爆炸，整个恒星解体，星体中心的物质将压缩形成黑洞，黑洞疯狂地吞噬周围物质……
然而，并不是所有物质都掉入那无底的深渊，部分物质以近乎光速喷发而出，形成宇宙中最壮丽的“烟花”。“烟花”内将产生极其强烈的伽马射线辐射，持续时间长则不过几千秒，短则不足百分之一秒，然而其亮度却超过全宇宙其他天体的总和，辐射能量与太阳一生（百亿年）辐射的总能量相当……犹如恒星最后的“生命之花”，集一生的辉煌于一瞬，化作最美的告别，它们就是伽马暴。
从1973年公布发现伽马暴以来，关于它们的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。自1997年以来，伽马暴的观测研究四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。2013年11月24日，多国研究人员在《科学》杂志同时发表四篇论文，报告了使用在太空运行的望远镜观测到的迄今最亮的伽马暴（编号GRB130427A）。它发生在距离地球36亿光年，来自狮子座的一颗质量达到太阳的20到30倍的恒星的大爆炸。在它发生时，人们在地面使用双筒望远镜也能一睹其风采。目前，人类看到的最遥远的伽马暴（编号GRB090423）距离地球132 亿光年，它发生时宇宙尚处于儿童时期，仅仅6亿多岁。
2）地球生物大灭绝的罪魁祸首？
当前，我们每天可探测1~2 个伽马暴，也就是被伽马暴辐射击中1~2 次。幸运的是，迄今发现的所有伽马暴都远在银河系之外，距离如此遥远以至于伽马射线辐射已变得非常微弱。但如果伽马暴在附近（比如数光年之内）发生并击中地球，天文数量的伽马射线将袭击地球，后果不堪设想……
也许，这可能已经发生过。地球上第一次生物大灭绝发生在4.4 亿年前的奥陶纪，这个事件致使85% 的海洋生物灭绝，人们怀疑伽马暴就是凶手之一。此外，人们猜测6500 万年前恐龙灭绝也可能与伽马暴有关。伽马暴的偏振又是什么？
伽马暴的偏振是指伽马暴发射的伽马射线的偏振。那么，伽马射线的偏振又是什么？其实就是，当电磁波向左传播时，跟传播方向垂直的平面内包含振动的电场和磁场，它们也互相垂直，其中电场的振动方向即是电磁波的偏振方向。同样的，伽马暴发出的伽马射线也是电磁波，伽马射线的偏振就是电磁波电场的振动方向。
如何更直观地理解偏振？让我们举个例子，假设你站在房间里，窗户上装着竖状的防盗栏杆，如果你想向屋外递出一个大的圆盘，你必须把盘子竖过来顺着栏杆方向递出去，否则会被栏杆卡住。伽马光子就类似这个圆盘，如果你在光路上放一个电磁波的防盗栏杆，那么只有一个偏振方向的光子才能完全透过这样的栏杆，别的偏振方向的光子透过去的强度会减少，垂直方向偏振的光子则完全不能透过，这个栏杆就是偏振滤片。利用这个原理，我们可以戴上偏振眼镜看3D 电影，还可以做成摄影用的旋转偏振滤镜放置在相机镜头前使天空变得更蓝，或滤掉水面的反射光从而清晰地拍摄水中的鱼。
宇宙天体产生的伽马射线光子具有如下四方面的信息：光子的到达时间、能量、方向以及偏振。科学家在前三个方面都已经找到成熟的方法来探测研究，然而在最后的偏振探测上却碰了钉子，因为测量伽马射线的偏振很难，迄今还没有对伽马暴偏振进行高精度的系统性探测研究。因此，测量伽马射线偏振性质将为伽马暴研究打开一扇新的窗口，有望取得新的进展和发现。
实际上，天文学的发展向来是由观测驱动的，理论的突破往往建立在新的观测基础之上。望远镜和探测器，是天文学这辆火车的车头。天文学家一方面把望远镜做得更大、更灵敏，让火车跑得更快，同时还在思考如何修建新的铁路、开凿新的隧道，让火车可以领略不同的风景。伽马射线偏振探测就是这样一条新铁路，科学家努力了40多年仍未完全成功，但我们已经可以预见在不久的将来，伽马射线偏振观测将为我们带来一片全新的天空。
“天极”望远镜是什么？
“天极”望远镜的全称是“天极”伽马暴偏振探测仪（POLAR），是专门用于测量伽马暴偏振的高灵敏度探测器，由中国科学院高能物理研究所牵头，瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所、波兰核物理研究所等单位参加研制，是“天宫二号”空间实验室搭载的所有实验中唯一的国际合作项目。
“天极”望远镜2013年8月完成初样的研制，转入正样研制。2015年完成正样研制，2016年9月中旬随“天宫二号”空间实验室发射升空。
“天极”望远镜由偏振探测器和电控箱两个单机组成。其中偏振探测器又由低压供电电路、高压供电电路、中心触发电路和探测单体组成。电控箱由低压模块和主控单元模块组成。
“天极”望远镜的偏振探测器将安装于“天宫二号”空间实验室的舱外，背对地球指向天空，可以有效地捕捉到伽马暴爆发过程中产生的伽马光子，并测量它们的偏振性质。电控箱将安装在“天宫二号”空间实验室的舱内，主要负责为偏振探测器提供低压电源、控制数据传输以及和卫星平台应用系统之间进行通讯等。
“天极”望远镜的作用
你一定想问，“天极”望远镜为什么又叫“偏爱伽马暴的小蜜蜂”？我们知道，人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五只眼：三只单眼、两只复眼，每个复眼包含6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏振光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂无论外出采蜜还是回巢，都不会迷路。
为了测量伽马射线的偏振，“天极”望远镜采用1600 根塑料闪烁棒（伽马射线在该塑料材料中可诱发荧光）组成一个探测器阵列，是不是很像小蜜蜂的复眼？通过测量每个伽马射线光子同时作用的多根塑料闪烁棒的位置分布获取偏振信息。虽然“天极”望远镜跟小蜜蜂测量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的构造上却有异曲同工之妙！此外，由于伽马暴是不可预测、随机发生的天文事件，为了最大限度地捕捉伽马暴，“天极”望远镜将在允许的情况下尽量多地开机运行，犹如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。
“ 天极”：探索宇宙“天机”伽马暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次——恒星、星系以及宇宙学联系起来。虽然这十几年来，人们对伽马暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽马暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。对伽马暴伽马射线偏振的研究可以为许多伽马暴问题提供新的线索。虽然对伽马暴伽马射线偏振的测量具有十分重要的意义，但是由于仪器能力的限制，目前国际上的观测结果还非常少，而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。
左：蜜蜂的复眼；右：“天极”望远镜的探测器
“天极”望远镜的主要科学目标是高精度且系统性地测量伽马射线暴的偏振性质。预期运行两年“天极”可以探测到大约100个伽马射线暴，同时作为国际上最灵敏的伽马射线暴偏振探测仪器，“天极”能够获得高精度伽马射线偏振测量的最大样本。通过系统地测量伽马射线暴的偏振，能够从观测上对伽马射线暴的辐射机制等物理模型加以限制或约束，为更好地理解宇宙中极端天体物理环境下的、最剧烈的爆发现象产生的机制做出重要的贡献。
“天极”望远镜是谁做的？
“天极”望远镜是中欧国际合作项目，由中方中国科学院高能物理研究所牵头研制，欧方包括瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所和波兰核物理研究所等单位。
本文摘编自中国科学院科学传播局、中国科学院重大科技任务局、中国科学院空间应用科学中心编印的《“天宫二号”空间实验室系列空间科学与应用载荷科普手册》。
中国科学院空间应用工程与技术中心是载人航天工程空间应用系统任务的总体单位，负责应用规划、组织管理、总体设计、集成、地面测试和在轨运控、成果推广等任务。在保证“天宫二号”科学和应用载荷等多个系统平稳运行之外，中科院多家单位分别负责研发的实验载荷将在空间实验室中大显身手，它们有的是在探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好地认识地球、海洋和大气，有的是在解决将来在星际旅行时食物的问题……
本号正陆续为大家介绍关于“天宫二号”的各项高精尖装备，敬请关注！
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