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清華攜手柏克萊 再探宇宙伽瑪射線

國立清華大學天文研究所研究團隊與美國柏克萊加州大學太空科學實驗室團隊合作研製的康普頓成像光譜儀 (Compton Spectrometer and Imager, COSI),在台灣時間17日上午7點36分於紐西蘭瓦納卡,由美國太空總署最新研發的超壓力氣球搭載升空,進入離地面約40公里的高空,偵測來自宇宙深處的伽瑪射線。新式氣球飛行高度更穩定,飛行時間也可能持續超過兩個月,讓COSI在近似外太空的環境中收集數據,是新一代康普頓望遠鏡研發的重要里程碑。

台美合作研製的康普頓成像光譜儀以12片高純度鍺偵測器為核心,利用光子與偵測器材料中電子的康普頓散射,來測量光子能量為百萬電子伏特範圍的伽瑪射線。

COSI跨國合作團隊的台灣計畫主持人、清華天文所教授張祥光表示,來自外太空的伽瑪射線雖然極其微弱,但蘊含了許多豐富的現象與未解的謎題。以這次高空氣球飛行偵測為例,主要觀測目標是銀河系的中心,那裡有很強的電子正子對湮滅輻射,其輻射光子的能量大約是0.5百萬電子伏特左右。

電子正子對湮滅輻射中的大量正子(也就是電子的反粒子)的來源,是天文學界在過去近半個世紀來一直未解的難題,它可能和銀河中心的超大質量黑洞有關,或者是其他中子星及黑洞的系統,甚或是和假設中的低質量暗物質有關。張祥光說,COSI如能在這次高空飛行蒐集到更多數據,將是解開這天文界世紀之謎的一大助力。

康普頓成像光譜儀是新一代的康普頓望遠鏡,相較於舊的技術,它的特點是以較小的體積與質量,達到更高的靈敏度。張祥光指出,提高靈敏度非常重要,例如一般相信超新星爆炸造成重元素的形成,但卻因靈敏度關係,無法明確觀測到其所伴隨發出的伽瑪射線輻射。COSI可以精確測量散射事件在偵測器中發生的位置,並且能記錄同一光子在偵測器中的多次散射事件,因此可以大幅提高儀器的靈敏度。

張祥光表示,由天文研究需求所驅動發展的高靈敏度伽瑪射線偵測器,未來在一般輻射偵測上也會有很好的應用,如在醫學成像技術上,因為靈敏度高,病患所需使用的輻射追蹤劑劑量就可大幅降低。

全球有數個團隊在開發新技術,製作高靈敏度的新一代康普頓望遠鏡。COSI團隊是這所有團隊中進展最快的。伽瑪射線和X射線一樣,都無法穿透地球的大氣層。要觀測外太空來的伽瑪射線,必須將儀器搭載在人造衛星或太空船上。在進行這樣的太空任務之前,必須先用高空氣球飛行來檢視所發展的新儀器與新技術。COSI在2009年曾在美國本土進行了一次約40小時的成功飛行,2014年在南極洲有一次約44小時的飛行。

COSI團隊2月中就已進駐美國太空總署在紐西蘭瓦納卡機場的高空氣球基地。經過了大約3個月的儀器系統整合測試與適當天候的等待,COSI終於在台灣時間17日上午順利升空。COSI的性能將在這次的飛行中得到充分的驗證,為未來的衛星任務做準備。COSI台灣團隊的核心成員還包括中央大學物理系張元翰教授以及中央研究院物理研究所林志勳博士。COSI台灣團隊早期由國家太空中心所支持,目前則是由科技部資助。

       

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