中國將發(fā)射“愛因斯坦探針衛(wèi)星”，給宇宙中的黑洞普查定位

近期，中國科學(xué)院發(fā)布消息，我國計劃在2023年底發(fā)射愛因斯探針衛(wèi)星，有望捕捉超新星爆發(fā)出的第一縷“光”，幫助搜尋和精確定位引力波源，發(fā)現(xiàn)宇宙中更遙遠、更暗弱的天體和轉(zhuǎn)瞬即逝的神秘現(xiàn)象。這是一顆什么類型的衛(wèi)星？有哪些獨特絕招？為什么用愛因斯坦的名字命名？

愛因斯坦探針衛(wèi)星是一顆X射線空間天文臺。說到X射線，你肯定會想到我們體檢時，用來做胸透檢測的儀器，能夠隔著衣服對胸腔拍照。其實，X射線也是一種電磁波。宇宙中很多高能天體都會產(chǎn)生X射線波段的電磁輻射。比如當(dāng)恒星走向生命終點時的超新星爆發(fā)，比如兩個中子星發(fā)生并合，再比如黑洞吸積周圍物質(zhì)也會產(chǎn)生強烈的X射線信號，甚至我們的太陽都時刻在產(chǎn)生X射線波段的電磁波。可以說，X射線波段除了可以在生活中用于體檢之外，還可以對產(chǎn)生X射線的高能天體進行“體檢”，通過分析高能天體產(chǎn)生的X射線信號，對高能天體的物理過程進行刻畫，增進我們對宇宙形成與演化的科學(xué)認知。所以X射線探測在天文領(lǐng)域非常重要，但是我們的大氣層會吸收X射線信號，因此X射線天文臺建立在太空中。在1996年美國發(fā)射了錢德拉X射線天文臺，2017年我國發(fā)射了“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠鏡，為探測神秘的X射線宇宙作出了重要貢獻。

(資料圖片僅供參考)

配圖來自圖蟲網(wǎng)

對于天文觀測而言，往往希望能夠看得范圍越大越好、目標(biāo)越暗越好，反映在設(shè)計指標(biāo)上，就是希望望遠鏡視場盡可能大、靈敏度盡可能高，這樣才能把快速地把宇宙一覽無余，實時監(jiān)測宇宙中的動態(tài)變化現(xiàn)象。但對于望遠鏡設(shè)計，視場和探測靈敏度是一對存在矛盾的指標(biāo)，大視場望遠鏡往往很難實現(xiàn)高的探測靈敏度，而探測靈敏度高的望遠鏡往往很難實現(xiàn)大視場探測，就像魚和熊掌不可兼得。愛因斯坦探針衛(wèi)星的絕招就是同時實現(xiàn)了大視場和高靈敏度探測，它的核心載荷是1臺龍蝦眼望遠鏡。生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，龍蝦的眼睛和其他動物不一樣，由許許多多方孔形狀的微型管道構(gòu)成，管道壁光滑且指向同一球心，這樣的結(jié)構(gòu)使得各個方向的光線在小方孔內(nèi)反射匯聚到視網(wǎng)膜上。

1979年，美國科學(xué)家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。但這一設(shè)想提出后，在很長時間內(nèi)都未能得以實現(xiàn)，直到微加工工藝提高后，科學(xué)家才逐漸研制出微孔龍蝦眼鏡片，上面布滿只有發(fā)絲般粗細的小方孔。國家天文臺自2010年起開始研發(fā)龍蝦眼X射線成像技術(shù)，經(jīng)過多年努力終于獲得突破。用其他方法制造的X射線聚焦望遠鏡的視場大概是地球上看月亮那么大的天區(qū)，而龍蝦眼望遠鏡大約能夠覆蓋1000個月亮那么大的天區(qū)，愛因斯坦探針衛(wèi)星上將安裝12個這樣的望遠鏡，其視場可達到約1萬個月亮那么大。

愛因斯坦探測衛(wèi)星獨特的設(shè)計，使得它能夠?qū)τ钪嬷写罅孔兓媚獪y的X射線天文事件進行探測，包括產(chǎn)生引力波的雙中子星并合事件。愛因斯坦探針衛(wèi)星可以與LIGO等地面引力波探測儀器合作，對引力波事件進行精確定位。愛因斯坦探針衛(wèi)星還能探測到黑洞捕獲恒星發(fā)出的X射線信號，對宇宙中的黑洞進行普查定位，回答黑洞在宇宙中是否普遍存在等科學(xué)問題。引力波和黑洞是愛因斯坦廣義相對論理論皇冠上的兩顆最亮的明珠，因此愛因斯坦探針衛(wèi)星的命名也是向科學(xué)巨人愛因斯坦致敬。

愛因斯坦探針衛(wèi)星是我國空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的一顆衛(wèi)星。此前發(fā)射的“夸父一號”衛(wèi)星、“慧眼”衛(wèi)星、“悟空”衛(wèi)星、“墨子”衛(wèi)星都是空間科學(xué)衛(wèi)星大家族中的成員。面向未來，我國科學(xué)家規(guī)劃了“極端宇宙”、“時空漣漪”、“日地全景”、“宜居行星”、“太空格物”五大空間科學(xué)前沿探索路線圖，為認知宇宙奧秘貢獻中國力量。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：李明濤

審核：韓文標(biāo)（中科院上海天文臺 研究員）

出品：中國科協(xié)科普部

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