天文慧眼:巡天遥看一千河

作者:王宜珂

发表于:2017-07-23

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  深邃而神秘的太空波涛汹涌,星辰大海中日复一日的斗转星移、绕行伴飞,黑洞张开大嘴吞噬光线,超新星突然爆发、中子星意外形成,恒河沙数的各类天体在太空这个大舞台上无时无刻不上演着一幕幕“太空舞台剧”。唯独少了的,是来自中国的“观众”。

 

  615日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”乘坐长征四号乙型火箭飞向苍穹,成功跻身太空观察员俱乐部,与蜚声国际的“哈勃”“钱德拉”等天文望远镜卫星一道,“站”在大气层之上尝试巡天遥看一千河。自此,我国在空间高能天体物理领域长期没有自主观测数据的历史将要结束。

 

该卫星填补了我国空间X射线天文卫星研制的空白,实现了我国天文观测由地面观测到天地联合观测的跨越,铸就了我国天文学发展史上的里程碑。

 

 上太空观察X射线

 

  “慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星,作为我国首个空间X射线天文卫星,该卫星承载着我国高能物理学界与天文学界众多科学家多年的梦想,科技人员将借助这颗望远镜卫星对宇宙中各类硬X射线进行近距离观察。

        

  那么,为何不在地面上观测X射线,却要绞尽脑汁跑到天上去?

        

  硬X射线调制望远镜卫星首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员张双南说,之所以要将硬X射线望远镜卫星发射到几百公里之外的近地轨道,是因为地球大气对X射线是“不透明的”,后者在穿越地球大气层时会出现严重衰减,地面观测的准确性、全面性会大打折扣。相应地,“只有在太空进行观测,才有可能探测到来自天体的X射线”。

        

  他告诉记者,1999年美国发射的钱德拉X射线望远镜,以及同时期进入太空的欧洲牛顿卫星,作为21世纪初天文学最主要的观测设备,开启了X射线天文学的新时代,取得了一大批重要的研究成果。

 

睁开大眼便不再闭上

        

  从外形和体格来看,“慧眼”卫星并不算大,只有2.5吨,不过能量却不小。从工程和技术指标上讲,这颗卫星在同类卫星中优势非常明显,其功能性能非常强,可对宇宙天体高能事件实现全天时、大范围观测。

        

  换句话说,“慧眼”进入太空后就会睁开明亮的大眼,无论白天还是黑夜,24小时分秒必争,“狠狠地”盯着全宇宙,一刻也不停息地洞察着不为人知的黑洞或者是突然爆发的天文现象。

         

如果把“慧眼”比拟为一名战士,那么以它为圆心,全宇宙都将是它的战场,在4年多的寿命中,它不停地旋转,大范围观测着宇宙,360度无死角,宇宙无疆,视野无涯。

 

太空信使直播数据传输

        

  作为一个全天时工作的天文观测卫星,“慧眼”的数据传输系统被形象地称为“24小时无间断”且“没有关机重启”的直播。

        

  对一般卫星而言,对受到影响的卫星设备实施“关机重启”,是“纠正错误”的一种被动选择。不过,针对“需要数据传输分系统4年不间断工作”的“慧眼”来说,关机重启就意味着数据中断,太空信使的任务目标就无法实现。

        

  于是,科研人员给“慧眼”配了一名专属的“太空信使”——数据传输分系统,它的主要功能是将硬X射线望远镜搜集到的数据,实时传输到数据记录系统或通过无线方式传输到地面接收站。

        

  我国硬X射线调制望远镜卫星将在轨服役4年。这4年里,它将一刻无休地进行观测,也意味着4年间卫星的数据传输分系统在轨不间断工作,这是一个忠诚、勤劳、专业的太空信使,在其他卫星上从未有过。

  

X射线勾画黑洞轮廓

        

  一个紧接着的问题是,为何要探测X射线?

        

  其实,何谓X射线,人们并不陌生,不管是医院体检照射的X光,还是机场过安检,采用的都是这种X射线——一种波长小于1纳米的电磁波。

        

  不过鲜为人知的是,这种射线还是外太空的“常客”——一个质量大于8个太阳的恒星,可能会以大爆炸的形式演化成中子星;而质量更大的,则有可能演化成黑洞。在这一系列的演化过程中,中子星和黑洞就会向外放射出穿透性极强的X射线。

        

  硬X射线调制卫星系统载荷分系统专家、中科院高能所研究员宋黎明告诉记者,在宇宙中,脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等都会射出X射线。如果可以接收到这些射线加以分析,就能勾画出这些天体的轮廓,对人类探索太空具有重要意义。

         

  以黑洞为例,从1964年美国探空火箭所携带的探测器发现第一个黑洞——天鹅座X-1,到2014年美国科幻大片《星际穿越》形象描绘黑洞模样。黑洞,这个吞噬一切的神秘天体,魔咒一般地吸引着我们,从未停止。然而,50多年过去了,人类对黑洞的探索仍然处于初始阶段。宋黎明说,这也是为何科学家还要探测X射线。

        

  当然,并非所有的空间望远镜都能够实现对X射线的观测,比如我们熟知的“哈勃”,就无法观测X射线,这个有些“颜控”的空间望远镜,只能观测太空中的可见光波段,“用它明亮的大眼睛观测着星际间的美好”。

        

  航天科技集团五院西安分院主管遥感数据传输类卫星研制的副院长杨毅说,可见光波长范围在390~780纳米,而X射线波长范围是0.01~10纳米,其波长比可见光波长小得多,必须用专门的X射线望远镜才能观测。

        

  遗憾的是,在中国之前,人类“甩”向太空的天文望远镜卫星,只能看到波长在0.1~10纳米的X射线,即所谓的“软X射线”,而对于能量较高,波长在0.01~0.1纳米之间的X射线,即所谓的“硬X射线”,却是“视而不见”。自然,也将失去很多“太空舞台剧”的细节和精彩。

        

相应地,中国“慧眼”作为世界上灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜卫星,则是这场舞台剧的前排“VIP观众”,有望发现黑洞和未知类型天体。

 

慧眼4样法宝组成“火眼金睛”

        

  正如武林高手都有成名兵器一样,这名宇宙观察员也随身携带4种独特“兵器”——高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜以及空间环境监测器。

        

  有了这4样法宝,硬X射线调制望远镜卫星如同拥有了“火眼金睛”,成为世界上目前已经应用的同类探测器中探测面积最大的一个,可以对整个X射线谱段进行探测——不仅能够“软硬兼收”,及时捕捉到绝大多数天体发出的软X射线和硬X射线,开展全谱段探测,甚至连暗、弱天体目标也逃不出它的“法眼”。

        

  可以说,“慧眼”能将宇宙事件的发生、发展到结束的全过程尽收眼底。在轨运行期间可能会有三个发现——

        

  一是对银河系巡天的工作,“对有些源要进行监测性观测,也就是要反复地看,看它有没有变化”,可能会发现一批以黑洞和中子星为主的新的天体源。

        

  二是会对一批比较亮的中子星和黑洞做定点观测,“一次看很长时间,积累足够统计意义的数据”,有可能对于中子星和黑洞的性质,如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解他们为什么有各种各样的活动性。

         

  三是每年可能会发现几十个到上百个伽马射线暴,如果其中的一些事例和引力波的事例存在联系,那将是很重要的进展。

         

  如今中国这个被寄予厚望的望远镜卫星被命名为“慧眼”,有两个理由:

 

  一个是遂了该卫星科学家团队的心愿,用来纪念我国天体物理奠基人之一何泽慧院士,希望这架空间望远镜能如她的眼睛一样,寻找高能天体的美丽风景。

 

  另一个理由是,希望这颗硬X射线望远镜卫星‘慧眼如炬’,能穿过星际物质的遮挡发现黑洞。


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