黑科技 科学 费米伽马射线太空望远镜眼中的月亮比太阳还亮

费米伽马射线太空望远镜眼中的月亮比太阳还亮

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费米伽马射线太空望远镜(Fermi Gamma-ray Space Telescope)隶属于美国太空总署(NASA),已在太空中工作十年。最近天文学家将它转向月球,结果在它的伽马射线波段眼中所见的月球,比太阳还要亮。

由于地球大气会吸收星光中的伽马射线,因此科学家们得将伽马射线望远镜设法放置到太空中,才能观测到宇宙中的伽马射线辐射的分布状况。以伽马射线观测月球,其灵敏度并不足以清晰分辨出月球盘面形状与表面特征,但费米太空望远镜的“大面积望远镜(Large Area Telescope,LAT)”却可以侦测到以月球为中心的天区有明显的亮光。

意大利国立核物理研究所(National Institute of Nuclear Physics)的Mario Nicola Mazziotta和Francesco Loparco两位科学家透过分析月球的伽马射线来了解太空中的另类辐射:快速移动的宇宙线(cosmic ray)粒子。

宇宙线绝大部分是被某些宇宙中最强力的现象所加速的光子,例如恒星爆炸的震波或是落入黑洞的物质所产生的喷流等。 由于宇宙线是带电粒子,所以受到磁场影响颇深。但是,月球磁场非常微弱,弱到几近于无的程度,即便是低能宇宙线都能抵达月球表面而不被偏折,使得月球如同便利的太空粒子探测器一样。

当有宇宙线撞击月表时,会与月尘(regolith)交互作用而产生伽马射线辐射。月球本身会吸收掉绝大部分的这些伽马射线辐射,但总有少部分能逃出生天,被费米太空望远镜侦测到。

费米伽马射线太空望远镜眼中的月亮比太阳还亮插图
费米伽马射线太空望远镜眼中的月亮比太阳还亮

Mazziotta两人收集能量高于3100万电子伏特(electron volt, eV)的伽马射线资料—这样的能量强度大约是可见光的1000万倍以上,并观察这些伽马射线随时间的变化,以便确认要曝光多久才能改善所见到的月球影像品质。有趣的是,在伽马射线波段中,月球始终保持“满月”的状态,没有如同一般可见光波段可见到的月相变化,如上图,每张图的视野约5度×5度,影像中心是月球。

NASA预计在2024年的阿堤米丝计划(Artemis program)送太空人重返月球,不过其实最终目的是要送太空人登陆火星,所以全方位地了解月球环境就变得很重要。这些伽马射线观测可让太空人知晓在月球上活动时必须对会制造高能伽马射线辐射的宇宙线采取必要的保护措施。

虽然月球的伽马射线影像比太阳还让人惊艳,但那也仅限于千万电子伏特等级;事实上,在10亿电子伏特以上等级的伽马射线影像中,太阳就“正常地”比月球还要亮许多。之所以有这样的状况,是因为能量比较低的宇宙线会倍太阳强磁场屏蔽,以致于无法抵达太阳表面,与之交互作用来产生伽马射线辐射。但能量强许多的宇宙线则会穿透太阳磁场,撞击到更深层的太阳大气中,产生那些费米太空望远镜能侦测到的伽马射线辐射。

虽然伽马射线下的月球没有朔望月的相位变化,它的亮度却还是会随时间改变。费米LAT资料显示在太阳平均11年的活动周期中,月球亮度变化幅度可达20%左右,这是因为太阳磁场强度也会随太阳活动周期而改变之故,从而改变宇宙线抵达太阳表面的数量比例,最终影响到太阳表面产生的伽马射线辐射数量。

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作者: thinkou

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