星際“神探”捕捉“宇宙煙火”

2024年1月9日，一顆名為愛因斯坦探針（Einstein Probe，簡(jiǎn)稱EP）的科學(xué)衛(wèi)星從我國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

作為一顆面向高能天體物理、時(shí)域天文學(xué)的X射線科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星，它有哪些相關(guān)科學(xué)背景？它的科學(xué)目標(biāo)是什么？?jī)?yōu)勢(shì)特點(diǎn)在哪里？現(xiàn)在運(yùn)行情況如何？本文將一一為你揭秘。

宇宙中的神秘線索

生活在地球上，你可能對(duì)地球大氣習(xí)以為常。實(shí)際上，地球大氣一直在吸收高能電磁輻射來保護(hù)我們和地球上的其他生物。直到20世紀(jì)60年代，人造衛(wèi)星被送上太空，人類對(duì)宇宙天體的研究才從地面可觀測(cè)到的可見光、射電波段擴(kuò)展到X射線波段。此后，天文學(xué)進(jìn)入到多波段時(shí)代。

X 射線肉眼根本看不見，通常溫度很高的物體會(huì)輻射 X 射線，例如太陽的外層大氣被稱為日冕，它的溫度超過一百萬攝氏度，會(huì)發(fā)出大量的 X 射線。1949年，人類探測(cè)到的第一個(gè)X射線信號(hào)就來自日冕。除了極高溫度，天體的X射線輻射還產(chǎn)生于極強(qiáng)的引力場(chǎng)、磁場(chǎng)等極端物理?xiàng)l件的區(qū)域和過程，比如雙中子星合并、超新星爆發(fā)等。

許多宇宙天體在X射線波段閃閃發(fā)亮，X射線已成為人類認(rèn)知宇宙不可或缺的重要“信使”。研究X射線，可以幫助我們了解其產(chǎn)生的機(jī)制、過程和環(huán)境。

攜帶天體信息，被稱為天體“信使”的除了電磁輻射，還有引力波、中微子和宇宙線。進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家已不再滿足于描繪宇宙的多波段全景圖像，天文學(xué)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向構(gòu)成這些宇宙圖像的天體是如何隨時(shí)間變化，即時(shí)域天文學(xué)。它與成像和光譜觀測(cè)，共同成為人類認(rèn)知宇宙的三大基本電磁波觀測(cè)方法。2017年，以GW170817引力波事件為標(biāo)志，時(shí)域天文學(xué)邁入了多信使的黃金時(shí)代。

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GW170817引力波事件

美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）聯(lián)合意大利室女座天文臺(tái)（Virgo）首先觀測(cè)到引力波信號(hào)GW170817。此后，全球約70個(gè)空間及地面望遠(yuǎn)鏡從γ射線、X射線、紫外、紅外、射電等多個(gè)波段開展了后續(xù)觀測(cè)，最終證實(shí)該引力波是由兩個(gè)中子星并合產(chǎn)生的。雙中子星并合不僅能產(chǎn)生引力波，還能產(chǎn)生電磁波（含X射線等），即引力波電磁對(duì)應(yīng)體。

引力波——“時(shí)空的漣漪”

根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論：時(shí)間與空間構(gòu)成一個(gè)整體，即時(shí)空；物質(zhì)使時(shí)空彎曲，在一些現(xiàn)象中（如中子星并合），致密星（大質(zhì)量天體）周圍的質(zhì)量分布發(fā)生變化，使時(shí)空扭曲，以光速向外傳播的動(dòng)態(tài)過程，產(chǎn)生類似水面泛起的“漣漪”，即引力波。

愛因斯坦探針“絕技”傍身

由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)研制的愛因斯坦探針升入太空，主要有下面這些科學(xué)目標(biāo)：

·發(fā)現(xiàn)宇宙中的X射線暫現(xiàn)和爆發(fā)天體，監(jiān)測(cè)已知天體。

·發(fā)現(xiàn)和探索宇宙中沉寂黑洞的耀發(fā)，測(cè)繪黑洞的分布，理解其起源、演化及物質(zhì)吸積過程。

·搜尋來自引力波源的X射線信號(hào)，以增進(jìn)對(duì)極端致密天體及其并合過程的認(rèn)知。

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為什么叫“愛因斯坦探針”？

這與其中兩個(gè)科學(xué)目標(biāo)聚焦于愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言（黑洞和引力波）有關(guān)。黑洞雖然不發(fā)光（無法直接探測(cè)），但當(dāng)物質(zhì)被拉入黑洞，在黑洞周圍釋放能量的劇烈過程會(huì)發(fā)出 X射線在內(nèi)的各種光，因此可以被間接探測(cè)。而引力波電磁對(duì)應(yīng)體信號(hào)（如X射線）則包含了許多引力波所沒有的信息，如精確的空間位置、電磁輻射能量、光譜、光變等，也將有助于人們深入了解大質(zhì)量天體的特性。

作為探針，愛因斯坦探針的探測(cè)目標(biāo)是X射線暫現(xiàn)天體。暫現(xiàn)和劇烈爆發(fā)天體是宇宙中壯觀而又神秘的“煙火”。暫現(xiàn)源的類型很多，如黑洞X射線雙星、活動(dòng)星系核、超新星、伽馬射線暴、引力波源等。它們?cè)跁r(shí)間和空間上不可預(yù)測(cè)，且轉(zhuǎn)瞬即逝。

要在浩瀚的宇宙中快速精準(zhǔn)地捕捉這些絢麗“煙火”，并展開深入研究，需要觀測(cè)設(shè)備既能“看得廣”又能“看得細(xì)”。愛因斯坦探針的兩個(gè)科學(xué)載荷：寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT）和后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT）擁有的“絕技”，就很好地實(shí)現(xiàn)了“廣”與“細(xì)”的配合。

絕技1：拓寬視界看得廣

WXT之所以能實(shí)現(xiàn)高靈敏度、大視場(chǎng)的巡天監(jiān)測(cè)，離不開它所采用的龍蝦眼光學(xué)X射線聚焦成像技術(shù)。

X射線很難像可見光一樣通過透鏡折射或者反射聚焦，很容易穿透材料（硬X射線）或者被材料吸收（軟X射線）。如果向水里扔一個(gè)石子，扔的角度太大會(huì)沉入水底，但如果以一個(gè)很小的近乎平行于水面的角度把石子撇出去，則可以在水面彈跳起來。軟X射線就具有類似這樣的小角度入射（約1°）的反射性質(zhì)。利用掠入射這一特性，加之從龍蝦眼睛的微結(jié)構(gòu)中汲取到的靈感，1979年科學(xué)家就設(shè)計(jì)出了用于寬視場(chǎng)X射線聚焦成像的龍蝦眼光學(xué)。但直到近些年，隨著微孔光學(xué)鏡片工藝水平的提升，這一技術(shù)的應(yīng)用才逐步得以實(shí)現(xiàn)。

完全由我國(guó)科學(xué)技術(shù)人員自主研發(fā)的WXT，是國(guó)際上龍蝦眼光學(xué)聚焦成像技術(shù)的首次大規(guī)模應(yīng)用。WXT的探測(cè)靈敏度比現(xiàn)有在軌類似設(shè)備高一個(gè)多數(shù)量級(jí)，12個(gè)模塊的組合配置使得視場(chǎng)進(jìn)一步拓寬，可達(dá)到全天的1/12（約為地球看月亮那么大的天區(qū)的1萬倍）。

絕技2：高分辨率看得細(xì)

FXT的主要功能是對(duì)WXT發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)和爆發(fā)源進(jìn)行快速后隨定點(diǎn)觀測(cè)，精確定位，同時(shí)測(cè)量X射線的光變和能譜。

FXT采用較為通用的Wolter-I型X射線望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，具有高空間分辨率，可以分辨出距離很近的兩個(gè)源。歐洲航天局（ESA）和德國(guó)馬普地外物理研究所（MPE）都參與了FXT的研制。其雙筒望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)型方案不但提升了有效面積，還可以互為冗余，相互認(rèn)證，從而進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的可靠性和科學(xué)產(chǎn)出。

絕技3：快速通訊

愛因斯坦探針的另一大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，是它具備快速的通訊（下傳和上注）能力，可實(shí)現(xiàn)星地速聯(lián)，觸發(fā)暫現(xiàn)源警報(bào)，引導(dǎo)其他望遠(yuǎn)鏡多波段、多信使的后隨觀測(cè)。

太空“捕捉”卓有成效

目前，愛因斯坦探針已經(jīng)完成了各項(xiàng)在軌測(cè)試，性能均實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，按照計(jì)劃正在開展兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的定標(biāo)觀測(cè)。截至本文發(fā)稿時(shí)，已探測(cè)到新的暫現(xiàn)源39例、恒星耀發(fā)316例，發(fā)布引導(dǎo)國(guó)際多波段望遠(yuǎn)鏡后隨觀測(cè)的電報(bào)31條。初步結(jié)果顯示，探測(cè)到的新暫現(xiàn)源具有豐富的起源類型。

未來，在完成在軌測(cè)試后，愛因斯坦探針將轉(zhuǎn)入科學(xué)運(yùn)行階段，同時(shí)開展國(guó)內(nèi)外各大望遠(yuǎn)鏡間的聯(lián)合觀測(cè)，希望能獲得一批重要的天文發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)國(guó)際上聚焦型大視場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備在時(shí)域天文學(xué)多波段中軟X射線波段的空白，快速提升我國(guó)在國(guó)際天體物理領(lǐng)域的水平。

作者單位 國(guó)家天文臺(tái)EP項(xiàng)目組