透视宇宙奥秘的“慧眼”/诸葛文喻菲全晓书屈婷

Space Exploration - - CONTENTS - □诸葛文喻菲全晓书屈婷

The “Insight” to Penetrate the Universe

6月15日11点00分,我国成功把“慧眼”硬X射线空间天文卫星送入太空。它将揭示宇宙中惊心动魄的图景:黑洞吞噬被撕裂的星系、脉冲星疯狂旋转、宇宙深处猛烈的爆炸……这架搭载长四乙火箭进入太空近圆轨道的X射线空间天文卫星,将巡视银河系中的X射线源,详细研究黑洞和脉冲星,并监测伽马射线暴,探索利用脉冲星为航天器导航。此次发射还搭载了国内外3颗小卫星。

“看不见”的宇宙

宇宙中的各种天体每时每刻都在不断向空间辐射电磁波,而由于它们组成的物质和特性不同,所以它们所辐射的电磁波也不同。空间望远镜就是通过探测各种天体所辐射的不同波谱、不同强度的电磁波,对宇宙进行详尽探查。

另外,宇宙中的天体由于温度不同而发出各种频段的电磁波,因此仅靠 1台空间望远镜很难进行全部波段的观测,必须研制各个波段的空间望远镜。一般来说,天体温度越高,发出的电磁波波长越短。人类可以利用这一特性,通过观测天体发出的电磁波,来分析它们的类型和特征。在电磁波谱中,伽马射线的波长最短,辐 射能量最大,X射线次之,后面依次是紫外线、可见光、红外线和射电波。

X射线和可见光一样,本质上都是电磁波,都具有波粒二象性,只是波长与能量不同,所以在传播的过程当中显现出来的性质也有所不同。X射线因为波长极短,能量又很高,在传播的时候更接近粒子。当我们把一台普通的光学望远镜对准X射线天体的时候,X射线不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射,而会像一粒粒“炮弹”直挺挺打进水塘里一样,就被吸收了。因此,使用普通的光学望远镜,也就无法获得天体的X射线图像。同时,能量越高,“炮弹”的速度就越快,X射线也就越“硬”。 按照科学家的传统划分,能量在20 千电子伏特(kev)以上的X射线,就被称为硬X射线;能量在10 千电子伏特以下的,就被称为软X射线。

超新星爆发之后的残骸可能是中子星,也可能是黑洞。银河系里就有为数众多的中子星和黑洞。它们有的根本不会发出可见光,有的被厚厚的尘埃所遮挡。普通的可见光望远镜都看不到它们的影子,需要在X射线波段观察才能发现。目前,在太空运行的空间红外望远镜中约有一半都是高能空间红外望远镜。

空间科学之重器

“慧眼”空间天文卫星设计寿命 4 年,质量 2496 千克,运行在高550千米、倾角43°的近地圆轨道。卫星本体呈立方体构型,同时安装了高、中、低能三组X射线望远镜,实际上是一座小型空间天文台。

这颗卫星首次实现了1千电子伏特~ 250千电子伏特的能区全覆盖,有利于从不同能段来观测和研究X射线天体的辐射机制。

其中,高能工作能段为20 千电子伏特~250千电子伏特、中能工作能段为5千电子伏特~ 30 千电子伏特、低能工作能段为1千电子伏特~ 15千电子伏特3 个 X射线望远镜和空间环境监测器共4个探测有效载荷。其中高能X射线望远镜是世界上在 20千电子伏特~ 250 千电子伏特能区探测器面积最大的望远镜,探测面积超过了 5000平方厘米,面积越大,探测到的信号就会越多,就越有可能发现其他望远镜看不到的现象,还可同时用于对特定X射线源进行高精度定点观测,又可以进行扫描成像观测。“慧眼”的视场也很大,约两天即可完成对银道面的扫描,有利于监测暂现源。

“慧眼”是建立在准直型望远镜

上,因此它还具有观测亮源的优势。

所谓准直型望远镜,即只有位于准直器视场内的天体发出的X射线才能入射到探测器上,而且与视线方向的夹角越大,有效探测面积越小。在扫描观测模式下,由于天空中存在着亮度不同的X射线源,望远镜在扫过不同区域时探测器的计数率也在变化,通过分析计数率变化和望远镜姿态之间的关系,可以重建获得天空X射线源的位置和流强。扫描观测是“慧眼”发现监视已知源的流强变化以及发现新天体的主要手段。定点观测则是指向某一天体进行长时间的观测,可以研究天体的X射线光变和能谱性质。我国科学家又开发了一种新的观测模式,即通过调整高能X射线空间天文卫星主探测器光电倍增管的高压,可以使其中的 CSI晶体成为一个大面积的大视场监视器,探测天空的硬X射线和软伽马射线暴发现象。

空间环境检测器装在卫星载荷舱的外面,是为了监测卫星所处的带电粒子环境,对“慧眼”在轨可能出现的故障进行诊断,并为望远镜的本底估计提供辅助数据。

特别值得一提的是,在“慧眼”首席科学家张双南的建议下,在不增 加和更改软、硬件的前提下,只要对探测器工作高压做适当调整,高能望远镜主探测器中原本用于屏蔽本底X射线光子的碘化铯晶体就可用来观测伽马射线暴了。这一创新设想将“慧眼”的观测能区进一步推高到3兆电子伏特。

“活捉”黑洞、脉冲星

“慧眼”有四大科学目标:一是进行大天区的X射线巡天,发现新的天体或已知天体的新活动;二是对X射线双星系统进行高精度的定点观测,研究其快速光变;三是观测孤立脉冲星、强磁场中子星和中子星X射线双星中的X射线暴,研究致密物质的状态方程;四是监测200千电子伏特~ 3兆电子伏特能区暴发现象,研究伽马射线暴,寻找引力波暴的电磁对应体。

其主要工作模式包括巡天观测、定点观测和小天区扫描模式。在正常工作模式下,“慧眼”可以实现1 千电子伏特~ 250千电子伏特能区的大天区巡天和定点观测;在伽马射线暴工作模式下,可以监测超过一半左右的天空在 0.2 兆电子伏特~ 3兆电子伏特软伽马射线能区的暴发现象。

与目前在轨运行的7个国外X射线空间天文卫星相比,“慧眼”有以下优势:具有大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天能力;具有大面积、宽波段、高时间分辨率的定点观测能力;是国际上最大面积的硬X射线 / 软伽马射线能段探测器。它既可以通过最高的灵敏度和分辨率实现大天区成像、宽波段X射线巡天,还将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程。

由于“慧眼”探测器能谱范围非常宽,所以它除了可探测空间X射线外,还可拓展进行伽马射线暴、恒星爆炸、黑洞等探测;不仅能将宇宙事件从发生、发展到结束全过程的壮丽景象尽收眼底,还可看到这些壮丽景象出现时的时变过程是怎样的,且比国际上其他同类卫星时间分辨率有大幅提升,这对于推动突发天体现象研究的深入意义重大。

其国际先进的暗弱变源巡天能力,可进行引力波暴电磁对应体的寻找和后随观测;其高能X射线空间天文卫星可以探测到高至几个兆电子伏特的光子,能在200千电子伏特~ 3兆电子伏特能区对伽马射线暴全天监测,且接收面积10倍于目前国际上最好的设备,从而大幅提高了在该能区探测伽马射线暴、搜索引力波暴的电磁波对应体的灵敏度,对伽马射线暴和引力波暴电磁对应体的观测具有重要意义,在国际上具有明显的竞争力,且预期能够产生重要科学成果。它将在国际上首次系统性地获得银河系内高能天体活动的动态图景,发现大量新的天体和天体活动新现象。由于具有独特的研究X射线双星多波段X射线快速光变的能力,预期可以在黑洞和中子星双星的研究中获得大面积新成果。

“尽管其他国家已发射的同类卫

星开展过巡天观测,但绝大多数X射线源都是变源,会不定期发生剧烈的耀发,不是一两次巡天就能发现的,因此‘慧眼’将反复开展巡天扫描,及时探测银河系内天体源的耀发。”“慧眼”空间天文卫星首席设计师张双南说。

“黑洞能产生X射线等各种辐射,还有可能产生高能宇宙线以及强烈的喷流。它们究竟在干什么?现在人类只有二三十个黑洞的样本,能发现更多当然好,对已发现的黑洞我们也希望研究得更清楚,找到黑洞只是开始。”张双南说。

据他描述,黑洞有时很“冷静”,有时很“暴躁”。当它“发脾气”时,产生的X射线流强特别高。国外的卫星适合看“安静”的黑洞,而“慧眼”特别适合看“暴躁”的黑洞和中子星。

此外,“慧眼”还要给宇宙中诡异的中子星(脉冲星)“把把脉”。 “我们还不清楚中子星的内部是什么。它们具有超强的引力场、电磁场和核密度,可谓极端物理的天然实验室。通过研究中子星的X射线,我们可以测量其表面的磁场强度,研究高密度、强磁场下物质的性质。”张双南说。

“慧眼”巡天要“打伞”

其实,“慧眼”不仅望远镜本领很大,由航天科技集团五院研制的支撑平台也非常了不起。因为“慧眼”上的科学设备需要在-60 摄氏度~ -80摄氏度的低温下才能可靠的工作,必须确保望远镜不见太阳、地球和卫星本体,以免辐射增温,同时,安装在同一支架上的高、中、低能X射线望远镜对温度指标要求悬殊,指标最大温差达60摄氏度。必须采取主动控温和被动控温相结合方法,多种

温控手段并用,这就需要通过安装遮阳板、采取多极隔热、采用深冷热管技术以及优化观测状态等方法实现载荷要求。

该空间天文卫星不同于常规太阳同步轨道对地遥感卫星,要实现全天区扫描的要求,这对“慧眼”姿态稳定提出了极大的挑战。为实现对全天球的空间天体高灵敏度的观测需求,并满足空间望远镜能源和散热要求, “慧眼”必须采用倾斜轨道,并采用对日定向慢旋姿态、三轴稳定惯性定向姿态、惯性稳定小角度旋转姿态、三轴稳定轨控定向姿态共四种惯性定向姿态控制方式,且具有大角度姿态机动的能力,从而,保证空间望远镜巡天、定点、小天区、银道扫描四种观测模式的实现。同时,探测器对时间要求很高,要求记录某一个到达X光点的准确时间,便于事后分析,因此,必须做到分毫不差。

期待意外发现

人类已探测到几次引力波,但科学家急切想找到与引力波相对应的电磁波信号,这也是“慧眼”的一项重要使命。

目前引力波事件的定位精度还很差,如果在其发生的同时或者相近时间,在其相同位置发现电磁信号,联合分析引力波信号和电磁信号会获得更多关于爆发天体的信息。一些科学家怀疑伽马射线暴很可能是引力波事件的电磁对应体。

张双南说:“已经发现的引力波还没有一个找到电磁对应体。如果只在一个波段观测,往往信息是不完整的,所以我们非常希望看到引力波产生时也有X射线、伽马射线或其他波段的信号,这些熟识的电磁波信号 能帮助我们更好地认识引力波。”他认为,寻找引力波电磁对应体极为重要。“慧眼”有200千电子伏特至3兆电子伏特能区面积最大的伽马暴探测器,是目前国际上最好设备的10倍,预计一年可观测到近200 个伽马暴,在今后引力波电磁对应体的搜寻中有可能取得一锤定音的效果。

“如果能发现引力波的电磁对应体,这将成为‘慧眼’最精彩的科学成果。”张双南说。

“慧眼”入轨之后的第五天会对其上的科学仪器加电,开始为期5 天的整体功能测试,然后进行为期140天的仪器性能测试、在轨标定观测和试观测,计划于2017 年 11月进入常规科学观测。

总之,X射线空间天文卫星的发展方兴未艾,是空间天文学的最重要前沿领域之一。★

▲航天科技集团五院供图

▲不同波段的X射线、红外线,以及可见光混合在一起的开普勒超新星残骸照片

摄 / 南勇

▲卫星研制现场

摄 / 南勇

▲卫星研制现场

这18个“黑盘子”就是“慧眼”的硬X射线探测器,覆盖了20千电子伏特~ 250 千电子伏特的观测能区范围,将主要用于探测黑洞和中子星

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