g射线望远镜简介

　　g射线在光谱的X射线之外，波长小于0.01纳米，最短波长没有极限，已探测到的最短波长为10亿亿分之一纳米。

　　g射线具有极高的能量，没有任何一颗恒星和星际气体的温度高到能发射g射线。只有高速旋转的黑洞、脉冲星和类星体辐射g射线，高速运行的宇宙射线撞击星际气体的原子时也辐射g射线，中子星、黑洞碰撞时则可发生g射线爆发。它们构成g射线宇宙，需要用g射线望远镜进行探测。

　　g射线能穿透宇宙中的物质而跨越数十亿光年的空间，但却不能穿过地球大气层到达地面。不过g射线撞击大气层的气体原子时会发出闪光、因而在地面上仍然可以用切伦科夫探测器收集这些闪光，间接地对g射线进行探测。用高空气球将g射线望远镜携带到g射线被完全吸收的高度（100千米）以上，则能直接接收g射线进行探测。

　　当然，携带g射线望远镜的最好工具是航天器。20世纪60年代美国发射的“探险者系列卫星”中的一些卫星（如“探险者11”）对g射线进行了探测。1969年，美国“维拉核爆炸探测卫星”无意中探测到宇宙中的g射线爆发。

　　美国1979年11月发射的“小型天文卫星2”号，探测到巨蟹座和船帆座中脉冲星的g射线。1975年8月发射的“宇宙线观测卫星B”探测到3C273类星体的g射线。1979年，由气球携带的g射线望远镜探测到银河系中心附近物质与反物质湮灭产生的g射线。

　　苏联1989年12月发射“石榴石/西格玛”g射线望远镜，1990年7月发射的“g射线天文观测卫星”等，也取得了g射线探测的重要成果。

　　美国1991年4月发射的康普顿g射线望远镜，在9年中发现70个g射线类星体、10个g射线脉冲星、2500多次g射线暴，在银河系中心观测到喷流中的反物质粒子云。
人类进入21世纪后，g射线探测在继续发展，成果将不断扩大。

　　g射线能穿透透镜，所以无法聚焦，只能采用间接的办法来绘制宇宙中的g射线图。如让高能g射线撞击钨原子，产生正电子和反电子，正、反电子随即湮灭，产生火花。火花室记录到这种火花，就是探测到了高能g射线。再如用能吸收g射线的材料制成编码掩模，置于火花室之上，当来自宇宙的g射线到达火花室时，在编码掩模范围的g射线被吸收，形成没有火花产生的阴影区，这就准确地反映了g射线源的位置。

　　康普顿g射线望远镜的4种仪器就是用这些方法进行g射线探测的。“爆丛和瞬变源设备”探测2~60万电子伏的g射线爆发；“定向变化光谱仪”探测由放射性原子和正、反物质湮灭产生的10~1000万电子伏g射线；“高能g射线望远镜”观测2000万电子伏以上的短波高能g射线；“康普顿成像望远镜”探测宇宙射线撞击星际气体产生的100~3000万电子伏g射线。
在上述g射线望远镜简介中，牵出了宇宙射线、正反物质湮灭和黑洞碰撞等问题。我们知道，黑洞碰撞除产生g射线外，还有引力波辐射。下面先介绍宇宙线。

　　什么是宇宙射线？

　　宇宙射线不是宇宙中的电磁辐射，它是在高能爆炸中产生的原子碎片，即高能粒子。主要是氢原子核（质子），此外还有一些较重的原子核和电子，能量达1020电子伏，它们以接近光速的速度在宇宙空间穿行。但没有人知道它们来自何方，一般认为，宇宙大爆炸、超新星爆发、类星体中心光变、两颗中子星相撞等激烈活动，除产生可见光、射电波、X射线和g射线等电磁辐射外，也产生宇宙射线；太阳表面爆发也发射高能粒子，叫太阳宇宙射线。这些宇宙射线，即高能粒子，带有宇宙中上述激烈活动的独特信息。

　　在地球附近的太空中，有银河宇宙射线和太阳宇宙射线两种宇宙射线。它们会对进入太空的航天员造成伤害（银河宇宙射线的能量较小，伤害较轻），对航天器的电器设备也会造成一定程度的损害。

　　由此可见，对宇宙射线进行探测和研究，既是天文探测的重要内容，也是保障航天活动安全的重要内容。

　　宇宙射线粒子非常稀少，在太空中直接探测到的几率较小，目前主要是通过它的撞击效应对它进行探测。

　　所谓撞击效应是指宇宙射线进入地球大气层后，与空气中的氮分子等碰撞，产生一些新的粒子，如中微子、m介子和电子等。虽然宇宙射线粒子自身损毁了，但在碰撞产生的新粒子，又与其它空气分子和原子相撞，其能量还可以产生出新的粒子来。这样逐渐碰撞，就会形成“粒子雨”落向地面，其中能量较高的还会穿透地表，进入地下。

　　如上所述，人们可以用飞机和气球将探测器带到空中，对宇宙射线进行探测，也可在地面进行探测，还可在地下进行探测。1912年，奥地利物理学家维·赫斯用气球探测到宇宙射线；1938年，法国科学家皮·奥热发现粒子雨。

　　为了提高探测效率，天文学家们在西班牙加纳利群岛设置了宇宙射线探测器列阵，以对落向地面的低能粒子雨进行探测。它既可探测到粒子雨的数量，还可知道粒子雨的入射方向，因为垂直入射的粒子雨，其形状是圆的，否则就会是椭圆的，不同的椭圆度反映不同的入射角。

　　在阿根廷的门多萨，将在2006年建造世界上最大的宇宙射线探测器，占地3000平方千米。它有24架大型望远镜在晴朗的黑夜探测宇宙射线撞击大气中氮分子而发出的微弱的蓝光。另有1600个探测箱分布在阿根廷大草原上，每一个都装有12吨水，它们能探测到粒子雨中的带电粒子快速通过探测箱时发出的闪光。

　　宇宙射线探测还可用于验证爱因斯坦狭义相对论。其一，狭义相对论认为，能量超过1020电子伏的宇宙射线不能到达地球，因它们在途中会同宇宙大爆炸时留下的微波辐射相互作用而丧失大部分能量。然而有报告称发现过这种高能宇宙射线。其二，在10千米高空由宇宙射线撞击产生的m介子，其寿命只能下落600米就会衰变，但实际上它能到达地面。这正是狭义相对论的速度效应，使时间膨胀16.7倍的结果。

原载于《太空探索》2005年第六期