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时间：2005年11月6日
地点：北京汇文中学

　

探寻宇宙深处的神秘爆炸
马宇倩，中国科学院高能物理研究所
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　　那么，为什么对宇宙伽玛暴的研究那么有吸引力呢？
　　伽玛暴的神秘之处，首先在时间和方向上的随机出现，这是把卫星测到的伽玛暴按照时间和方向逐个点到天图上，可以看出它的随机性，第二，爆发很强，区域又很小，很难理解它产生的机理。第三，总能量到底有多少，相当于多少原子弹？可以知道比太阳耀斑高几千万倍，甚至几亿倍。但是不知道距离，如果不是随机出现的话，还能知道它对着哪儿的天体。科学家们找这些伽马暴，跟已知的天体对，比如超新星，跟另外一些可能的高能天体对，也对不上，几乎跟所有的天体当时都对不上。为什么对不上？其中还有一个原因是探测的原因，不知道源头，不知道距离，不知道什么时候产生，又不知道在什么方向上，怎么研究它们？需要探测器的视场大，而且又要能定方向，非常困难！所以它吸引了很多人的注意。最早的时候人们搞了一个全球网，用长基线三角形法，只要有卫星就往上放探测器，用三个远距离卫星探测器，测量伽马暴到达的时间差，最早只研究了70几个事例。1991年美国的CGRO卫星上天，其中的“贝斯”（BATSE）探测器测到2700多个暴。
　　经过30多年的观测研究，关于伽玛暴的起源现在已经有了一些说法了。一颗星的毁灭，一颗星的爆炸，形成一个巨大的火球，如果火球有向某一方向的喷射，如果仪器正好在视场上就看见爆发了。超大新星类型的伽玛暴，最近人们发现有一个超新星和一个伽玛暴有可能在同一个方向。还有一个说法是伽玛暴来自两个可能的中子星的转动，这两颗星如果最后并合到一起，就会产生一个爆发，两颗中子星并合到一起，这种情况只有在宇宙空间很大很大，一个星系可能一年都不发生一次，但是又因为有无穷多，有很多很多星系，才会出现这样的情况。就是这样，按照这个模型，也不能产生现在测到的这么多伽马暴。
　　探测宇宙伽玛暴的主要困难，一个是随机出现，捕捉困难，要求宽视场，从眼睛观察来的，比如照相机，有的镜头视场窄，只能看很小的一块，有的镜头视场宽，就能看得宽。探测器能看得宽，这跟望远镜是反着的，望远镜的镜头是很小的，另外定位到底在哪儿，先是时间差方法，后来是搞成像。另外是怎么捕捉快速响应。从1972年伽玛暴被发现以后到现在，已经发现的总数是2700多个。理论模型、理论解释有5000多篇文章，说明什么？一个伽玛暴平均可以有两篇文章，说明早期对它的来源不清楚，所以科学家们都非常有兴趣的去了解它。这个现象在地面没法模拟，地面可以造原子弹，氢弹，可以研究热核反应。但是没有办法模拟宇宙伽玛暴的现象。
　　这个片子说得是太阳的日冕物质被抛射出来后，经过木星和土星以后，在两个行星这儿的探测器上会纪录到什么，得到的图就是一个暴。第一个图有两个峰，是因为抛出物质逐步分化成两大团，一展开以后就变成两个峰，再往远处走，远处又有一个探测器，这是很强的光变图，因为太阳自转，使得物质还有一个转动方向的运动，现在看到的是很清楚的。
　　我们进行测量主要就是要看仪器每秒钟的计数，是不是在某一段时间里突然有涨高，而这个涨高要服从一定的规律，这个规律符合宇宙伽玛暴的特点。

　　现在我来介绍神舟号上的宇宙伽玛暴探测器。
　　我们在神舟号上放了三个探测器，一个是软X探测器，一个是伽玛射线探测器，一个是X射线探测器。是由两个单位做的，一个是中科院高能物理所，还有一个是中科院紫金山天文台。我重点介绍一下X射线探测器，因为它处于伽玛暴主要的爆发能区，我们要靠这个仪器捕捉伽玛暴，再靠另外两个仪器知道它们在其它能量段的特点。
　　1992年神舟号系列已经决定要上马，神舟号上马以后，因为要让航天员上天，坐的飞船必须经过一些无人的试验。一共是七大系统，包括航天员系统、发射场系统、飞船系统、着陆系统、测控系统等等，其中有一个是空间科学和应用系统。空间科学和应用系统的任务交给了中国科学院，中国科学院把这个任务找了很多人去讨论到底做什么，做空间材料、空间生命、空间微重力、空间天文。空间天文放在我们这儿以后，我们提出的项目被采纳，选择了宇宙伽玛暴的选题。这个选题既代表国际前沿，又有它方便的地方，就是因为它可以只记录爆发，如果记录了爆发以后，把它存起来发回来，比较符合“神舟号”上的技术条件。另外当时是在1992年和1993年间“贝斯”刚刚上天，贝斯在能谱测量上有一个很大的不足，测的能量偏高，低能的情况不能了解，所以我们安排了三个探测器，其中的超软X射线的探测器，要比美国的“贝斯”考虑的全面。美国的卫星当时有937公斤，是全向探测，各个方向的伽玛暴都能记录下来，给我们的资源就是先限制好了30公斤，所以不可能跟“贝斯”去拼，你测了多少暴，我测了多少暴，不能拼这个。我们要拼的是什么呢？30公斤怎么用好，用出一点特色来，让它和美国的卫星不一样，所以提了这个项目，这个项目变成了我们国家空间天文的唯一项目，而且只有一次机会，给我们安排在“神舟二号”上。一次机会必须一次成功，在这样的情况下，我们设计和研制了宇宙伽玛暴的探测器，而这个探测器完全是我们自己研制的，包括从探头的部分、电子学的部分、数据采集的部分、地面测试、软件控制、指令设置等等，所有的这些部分，全部是我们自己研制的。这是我们国家第一个真正的测量外太空天文现象卫星载探测器。
　　我们放了两个X射线探测器，没有任何遮挡，探测器的面是扁盘型的，让接受面积尽可能大一点。飞船是什么条件呢？我们的飞船不可能在世界各地都有地面站，只有在经过我们国家上空的时候才有地面站，所以数据要在经过我们国家上空时发回地面。因为是近地轨道，350公里到400公里的高度，这样走一圈是90分钟左右，设想一下一天就要走16圈，不是老在一个地方转，因为地球是自转的，地球在那儿转，而轨道是不动的，经过两天左右就可以把整个地球扫一遍，所以它能够在我们国家上空把数据发回地面，每个轨道都能发回数据的，大概也就5、6圈，有10个圈左右，这个数据没有办法发回地面，必须存在卫星的存储器里，在经过我们国家上空的时候发回来，叫“延时遥测”，这给我们带来了困难，有三分之二的时间不可能得到更多的信息。还有一点，每圈是一个半小时，要把真正的暴抓回来，也是一个问题。空间探测器的研制有一个特点，一旦方案定了绝对不能改变，不能三天两头说今天这么改，明天那么改，功耗、重量一给，探测器设计一定，任务书一下，不能修改任务书，完全是工程化的概念，跟我们原来做科研是不一样的思路。
　　我们的探测器在星上的存储器只有512K字节，很小，这个时候怎么办？我们设计了这样的功能，有暴就详细的记下来，没有暴就粗一点的记。第二点，我们搞两个备份，我想测伽玛暴的能谱，伽玛暴到底是什么特征，搞了一个64道的能谱测量，设想64个篮子，篮子排成队，每个篮子里装的是不同能量段来的，进一个光子就加1，放进篮子前测的是什么呢？测的是脉冲信号的幅度，幅度是多大，0～5伏，把伽玛暴的能量变成0～5伏这样的信号，是几伏就该在第几个篮子内，一个个光子地测。伽玛暴发生的这么快，也许你自己反应慢，照相机快门一慢，快速现象，运动员的跑步拍不下来。要是拍下运动员的跑步，就得把快门加快，设不同的时标，比如40毫秒就抓一个暴，这是一个做法。另外，如果想节约和使用寄存器，就要把有效的东西存起来，所以要会判断伽玛暴，还要捕捉大暴，碰到大的，就把小的剔掉，不要小的，只要大的，就有大暴替换小暴的功能和判断。还有一个，伽玛暴快，所以用40毫秒，如果有太阳耀斑怎么？所以就设了三个时标，40毫秒、200毫秒和1秒。怎么判断呢？每40毫秒总计数，40毫秒里得到的总光子数比平时如果高出一定的倍数，或者高出一定的百分比，就认为它有暴了，就抓回来，存起来再说，把这个时候最高的计数记下来，等下次来的时候，如果有更高的计数，寄存器可以存两个暴，就把小的不要了，只要大的。所以我们有总是记下大暴的功能。
　　再有一点，总共一次机会，不成功就什么都没有了，十年都白干了，所以要保证万无一失、一次成功，所以要考虑冗余，要搞备份。为此，增加了一道总计数测量，不做能谱测量，不做细致分析，只要有信号，从计数器输出，来一个光子记一个，把每秒钟的计数单独存起来发回，叫“率计测量”，我们最后得益于这个设计。另外，我们设计了两个探头，同时是双备份，这一路坏了还有一路，还让这两个探头跨的能区不同，这是为什么呢？为了多得物理信息，既然放了两个就不能让两个都完全一样，低能探头、高能探头能区不一样，也使我们的成果多得了很多，因为后来我们发现，用这个不同可以测到地球上空的电子，就是因为两个不同的探头对电子和伽玛光子反应不一样。在设计仪器当中下了很多工夫，就是为了保证一次成功。整个信号进来，利用高能光子和物质的相互作用这个原理，在探测器里把高能光子的信号变成电信号，然后用信号获取电路，还有一路总计数。用信号获取的办法把电信号进行分析，我们知道它对应的能量，在球上装了CPU、微处理机，分别用两个CPU进行处理。处理完了以后，搞了一个数据传输和管理电路，在这个电路里把传过来的信号送到存储器里。把存储器一分为二，一个装旧的，一个装新的，新的和旧的比较以后，把小的暴撤掉，再存新的暴。
　　在整个设计思想当中，我们认为以后能得到的成果特别多，都是因为当时翻来复去的考虑。我们想到的，无论如何怎么能把伽玛暴捕捉住。为什么探测器上面什么也不加，望远镜筒也没有？就是半全向的视场，上面什么也不装，任何一个方向都可以测到，为了增加探测的概率。

　　第七，“神舟号”上怎么实现伽玛暴的捕捉？探测器的三个基本指标，关键是有三个工作模式，暴触发模式、平时本底测量模式，还有一个异常区关机模式，近地轨道经过南大西洋的时候有一个地磁场的凹陷区，粒子计数很高，需要关机，一是为防止误触发，二是为防止光电倍增管损坏。
　　神舟号系列，除了神舟1号是实验船外，其余都是正样件。神舟2号、3号是无人飞行、科学实验。后来加了神舟四号也是无人飞行、科学实验。神舟5号、6号是载人飞行。
　　神州2号飞船总高度8米，这是酒泉卫星发射基地厂房，这个厂房有什么特点？一级一级的楼梯进去，外面有一个平台转的，可以站人工作，整个火箭和飞船是在这个中心，这个高度中间是空的。火箭飞船总体在厂房里全部装好，下面是轨道，从厂房里直接拉出来，从厂房到发射塔大概是一到两公里，要走好几个小时，非常非常慢，所以看很多人都在下面跟着走，叫垂直输运，船箭垂直输运，表征着航天科学的水平。经过垂直输运，先到发射塔附近，装上发射塔，2001年1月10号北京时间半夜一点钟发射。
　　2001年1月10号拍的照片，火箭发射了。