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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
讲座(一)　 讲座(二)　 讲座(三)　 讲座(四)


　　大家看这个神6的模型，“神舟二号”跟“神舟五号”、“神舟六号”不一样，这块叫附加段，不载人的时候增加的设备，这个设备可以装200公斤的东西，在里面装了空间环境、空间天文、微重力的几个探测器和电子学机箱，这是天线。我们的探测器装在这个位置，朝上，探测器的轴是朝上的，飞船怎么走？绕着地球平动，设想一下地球的半径6400公里，飞船的高度如果只有400公里，如果画个图，会发现贴着地球非常近，实际上就一点点，在地图上要画，是这样走的。
　　飞船是这样走的，仪器装在上表面，飞船观测，探测器要探测X射线，前面包着的物质层太厚了不行。飞船绕着地球怎么走呢？40度，40度是发射纬度，在40度的轨道上这样往前走。有两种指向，一种指向叫飞船对地指向，假如这是地球，往下的轴总是对着地心，也就是说伽玛暴探测器总是对着天，所以有百分之百的时间可以探测伽马暴。还有一个对日指向，飞船的太阳能帆板，有三分之一的时间必须对太阳指向，把飞船的太阳能帆板调整成对太阳指向以后，就变成什么呢？太阳实际上是不动的，地球在转，地球很大，轨道很低，每90分钟经历一个卫星白天和卫星夜晚，这个时候我们的探测器始终保持着对太阳的固定指向，每走一圈，“白天”时探测器轴正对太阳，太阳在它的视场里，“夜晚”时探测器转到地球的阴影里，太阳被地球挡住了。卫星的白天和夜晚以一圈为周期，不像地球上的的白天、夜晚，是以一天为周期。神舟号飞船包括返回舱，留轨仓，上面的这块是附加段，神舟二号的大了一些，放科学仪器的。把工作过程跟大家说了，就可以理解我们得到的东西是什么了。
　　飞船主要指标，轨道倾角42.2～42.7度。轨道高度350～400公里。轨道周期92分钟。入轨总质量7.5吨。有效载荷，留轨仓300公斤，返回仓100公斤。姿态控制三轴稳定，什么叫三轴稳定？X、Y、Z三个轴，相对于以前某一种卫星说的，早年有一种卫星是自旋稳定，自己是自转的，只要控制住自转轴一个轴就行了，自旋稳定是以前的卫星采用的方式。三轴稳定，陀螺是三维的，X轴、Y轴和Z轴。我的探测器的指向是负Z，Z总是指向地，我的总是指向天。三轴稳定，还有一个指标，一个卫星往前走的时候，这是Z，X、Y、Z是这样的，叫负Z，卫星运动有三个分量，滚动、俯仰、和是偏航。如果左右走，这个叫偏航，抬头、点头叫俯仰，如果绕着这个往前走的轴是滚动。对一个卫星很重要的姿态控制，对我们来说只要一个Z轴，Z轴稳定就行，我们是扁盘形的,各个方向并不要紧。
　　这是有效载荷的监控大厅，在这里可以知道整个有效载荷运行情况。有效载荷就是科学仪器，飞船就像公共汽车一样，公共汽车上载的人是有效载荷。这是有效载荷数据的接收站，下载科学数据。有效载荷应用中心主机房，数据下载以后到了密云，密云把数据传到空间中心的主机房，主机房再把数据分离，把不同的应用，不同部分的数据分离，分离以后实时显示，第二是打包，每天可以提供给我们软盘。那段时间我们日夜在那边有人值班。
　　在轨的运行情况，这个仪器跟着“神舟”号上了天，我们一部分人留在数据中心，我和另外一个年轻人留在数据中心，有两位做硬件的到发射场，他们参与了整个发射场的测试。1月10号发射以后，最难受的最着急的是10号～14号还没有加电的这段时间，不知道仪器性能好不好，后来一直到了1月14号、15号上天以后90圈才加电测试，非常紧张，当我们看到了信号，测到了背景信号，心情非常激动。1月16日返回舱返回，留轨舱在轨，1月17号～1月22号进入在轨测试。就在1月17日那天我们测到了一个伽玛暴，那个时候才真正把心放下，测量结果很好。当时报告了一下，通知了我的伙伴们，大家都很高兴，有人开玩笑说你这回能交帐了，我说这十年没有白活，很激动的一件事情。而且后来发现我们测到的第一个暴是我们发现的伽玛暴，什么意思呢？在国际上其它的卫星并没有宣布测到这个暴。后来我们把这个数据发到了伽玛暴的国际网络中心，请他们帮我们验证，因为当时还有几个深空卫星在那儿，那位先生帮我们验证了一下，把他们的数据调出来，一共调了两个卫星的数据，我们传了四个暴过去，他告诉我第一个在他的等待模式下。所谓等待模式，它的计数有涨高，只是没有到应该触发的地步，涨高我有了，所以时间上符合了，给了我们一个旁证，证明了1月17号我们发现了第一个自己的宇宙伽玛暴。
　　真正的运行从是2月5日开始，从2月5号到6月25号是在轨探测，实际上从1月16日以后运行没有间断过。总的累计运行时间160天，有效运行时间145天。各项设计指标都已经实现，运行情况良好。
　　现在说说数据，前面提到过三种工作模式，一个叫背景工作模式。背景模式下我们能得到什么呢？能得到三千秒的每秒64道的能谱，没有暴情况下的64道的谱，一共得到380组数据。第二是暴工作模式，在比背景计数有涨高的时候，就让它触发，触发以后进入快速能谱采样。背景模式是一秒钟采用一次，累计16秒做一个平均计数，每次都用40毫秒，200毫秒，1秒跟前面的背景比，顺着后面走，比到有涨高就记录，不管是什么就记录下来，进入暴模式。暴模式是什么呢？有128秒的暴能谱，每40毫秒一个64道能谱，加上暴之前面40秒的背景数据。第三种是计数率的监测，可以得到不分能量的整个这段的每秒总计数，好的情况下一天能拿到10小时的数据。这几张图是典型的背景模式的情况，这是能谱，高能探头、低能探头，这几张图都要事后处理做的，我们把软件写好了，对每个暴都作这样的档案，每秒钟计数的变化。这片是南大西洋反常区，我们关机，轨道也清楚，这是背景模式。这是暴模式，有一个探测器测到了太阳耀斑，另外一个探测器是平的，而且上升比较正常。有了暴，那个时候太阳在当地时间早上6点钟，爆发的时候卫星在这个位置，跟天体上的强源有没有关系等等，每个暴都做了档案，一共拿到了285个暴的数据。这是典型的计数率数据，上面用“戈斯”（GOES）卫星的数据跟它比对，下面是一些变化这是我们测到了。如果把这个拉开，145天，一天一张图，可以知道什么情况下有暴，什么情况下是一个周期的变化。这是区域性的变化，测到的是电子。这是电子现象,差不多一个半小时就有一个。
　　这是2月6号的背景能谱，可以看出设备的工作非常稳定。谱线511 keV大概前后只差1.3％，仪器工作得非常稳定。
　　这是典型的轨道，当卫星在上面走的时候，我们测到的流量，随着卫星走的时候的状况，1天的时间就把地球扫了一遍，两天中轨道重复一遍，原因就是地球的自转，转一圈半，地球往这边转了一个半小时，再转一圈半，地球又转了一个半小时，360度除24，一个半小时走22.5度。卫星的轨道跟纬度有关，发射场是40度，直着上去以后就在40度里走。
　　同类探测器观测结果比，我们测到的这是国外的卫星，部分伽玛暴可以对上，说明我们比他们的灵敏度还高。平时记数500，有暴记数2000。我们的平时记数200，有暴记数3500，说明信号噪声比要比他们的好，灵敏度比他们的高。
　　“神舟二号”停止飞行前一小时测到的最后一个暴，我们非常幸运，1月17号得到的一个，飞船停止飞行前一小时又得到了伽玛暴，等于把仪器从头到尾都做了一个很好的结论。

　　第八，对观测数据我们做了什么，又得到了什么？
　　最重要的一点，探测器没有方向性，对判断事例带来了困难。我们首先需要对把所有的计数涨高事例进行分类比对，先找出太阳耀斑事件，再找出地球事件，剩下的才是伽玛暴的候选事例。太阳事件可以和太阳耀斑软X射线，国际上有个专测太阳软X射线GOES（戈斯）卫星，可以和它的观测结果比对，通过网络把他们的数据下载下来做比较，每个事例都有两个图，一个是GOES卫星的，一个是我们的。3月17号测到一个宇宙伽玛暴，我们自己的伽玛射线测到的和美国的、意大利的两个卫星测到的暴非常一致，这是一个样本，我们的结果和国外的可比较，而且不比他们的差。我们可以把两个探测器的结果接起来，这都得靠后处理。从太阳耀斑的角度我们测到了130个太阳耀斑，2001年正好是太阳活动期，测到了三个最大的耀斑。GOES卫星得到的4月2日耀斑，这是我们得到的光变，即计数随时间的变化。在太阳耀斑的峰值期，计数长了500倍。计数器是数码的，相当于用256位，记到65536就不行了，要从0开始，出来两次就接上去，提高了500倍。最高到了什么程度呢？每秒钟10万个光子，平时是每秒钟200个光子，可以想象太阳耀斑有多强，应该说对太阳的研究也是非常重要的方面。5月6号的太阳耀斑，4月15号的太阳耀斑，后面这个太阳耀斑是CME事件。
　　地球事件的特点，是探测器深入其中的测量，地球400公里高空的地方，地磁场仍然很强，地磁场如果有了凹陷，电子就容易存在那儿，所以地球上有些区域，电子的存储是很强的，一有太阳耀斑，电子的区域就会长大。没有太阳耀斑的时候就会变小。这样的区域，当仪器穿进去的时候，电子就会进入探测器，它测电子是局部的，只测本地的，仪器在这个环境里就能测到，X射线是从远处来的，照在这儿才能测得到。这两个不一样。电子事件最重要的一点就是没有暴数据，这个图是地球事例和太阳耀斑的比，还带着很多微暴，特别是有大的太阳耀斑的时候，会产生小的磁暴。400公里轨道电子沉降的分布，随着流量的变化，把半年里凡是测到的都放在一张图上，没有按时间去分，基本上发生在正负40度的区域，如果纬度更高，电子更强，基本上在高纬区，特别是极区，为什么会有激光，就是这样来的。
　　最后讲一下我们的团队。这是我的小组，并不全，是几位主要的高能所的人员。这是紫金山天文台的几位。我们有相当一部分同志，或者主要的骨干，从1992年起一直坚持到2000年发射成功，特别是做硬件的，很辛苦。这当中大概有五、六个人的家庭里都有过双亲或者什么人去世，特别是紫金山天文台的同志，只要一做测试，他们就得往北京跑，一年要往北京跑无数次，数不清楚，什么时候一个电话，就得晚上坐火车来，第二天早上就到了，有时开一天两天的会，晚上再坐火车回去，很辛苦。
　　还有一点是怎样才能成功，首先永远不要放弃对探索未知世界的兴趣，只要有兴趣才能坚持，有兴趣，想知道它，才能坚持，然后要讲科学态度和科学精神。这次成功首先得益于探测器设计的科学性，我们的探测器既有创新，又做得比较扎实。第二，科学的可靠性设计，把冗余度打的很足，把各方面可能要发生的问题都考虑到、事先解决，研制一丝不苟。我们有一位同事负责X探测器的两个探头，他把探头当他的孩子一样，抱出去抱进来，运输时包塑料膜，戴上帽子，到发射场的时候一层一层的拿掉，非常宝贝，甚至于宝贝到了都不愿意让别人看的程度，别人想看信号，他要不在场，都不让人开这个机。正因为有这样的责任心，所以探头做的非常好，低本底，想的很周到，想到怎么屏蔽地磁场，想到怎么让光电倍增管和传感器粘到一起，配好了这种胶，怎么振动都振不坏。有一个例子很经典，光电倍增管是玻璃管，里面有一级一级的金属，把电子一级一级的倍增，在环模试验的过程中，定标准的同志可能书生气重了一点，提出的环模试验条件非常苛刻，结果把光电倍增管里面的东西都震烂了，玻璃管反而没碎，说明探测器封装是好的。最后再把指标降下来。这位同志自己很辛苦，这么多年别人都能有机会出国一段，他出不了国，因为没有他，这个探头不行。还有问题分解，责任分明，把很多综合性的工作分成很多部分，每人负责一部分，互相有所帮助，但是责任分明。
　　另外一点很重要的就是用制度保证质量，互相检查，问题归零。说一句不怕你们笑话的话，课题组里每个人都出过错，包括我自己，