“天關(guān)”衛(wèi)星在軌交付儀式暨成果發(fā)布會(huì)近日在京舉行，衛(wèi)星正式在軌交付給中國科學(xué)院國家天文臺(tái)等科學(xué)用戶使用，同時(shí)公布了首張由中國自主研制設(shè)備觀測(cè)到的全天X射線天圖，這標(biāo)志著中國X射線時(shí)域天文領(lǐng)域進(jìn)入新時(shí)代。

近年來，我國發(fā)射了一系列科學(xué)衛(wèi)星，初步形成以“悟空”號(hào)、“墨子”號(hào)等為代表的空間科學(xué)衛(wèi)星系列。其中，“天關(guān)”衛(wèi)星（愛因斯坦探針衛(wèi)星）是在X射線波段工作的空間觀測(cè)站，于2024年1月9日發(fā)射升空，旨在發(fā)現(xiàn)和觀測(cè)宇宙“焰火”（宇宙中的高能暫現(xiàn)天體），并發(fā)布預(yù)警以引導(dǎo)其他天文設(shè)備進(jìn)行后隨跟蹤觀測(cè)。那么，“天關(guān)”衛(wèi)星究竟有多重要？它能為我國空間科學(xué)發(fā)展帶來什么？

為何要觀測(cè)宇宙中的X射線

在發(fā)現(xiàn)宇宙中的其他X射線源之前，X射線天文學(xué)是從研究太陽起步的。X射線本質(zhì)上和人眼可見的光線一樣，是一種電磁波，但與可見光不同的是它能量很高，可以輕松穿過各種物質(zhì)。X射線具有很高的能量，需要高能的物理過程才能產(chǎn)生。在宇宙中，非常熱的物體就會(huì)輻射X射線。例如，日冕（太陽的外層大氣）可達(dá)100萬℃到300萬℃，會(huì)發(fā)出大量X射線。

其實(shí)，許多宇宙天體在X射線波段都“光輝燦爛”，像太陽一樣熾熱的恒星時(shí)時(shí)刻刻發(fā)射著X射線。除此之外，還有一些引人注目的X射線源，包括星系團(tuán)、超新星、大質(zhì)量雙星甚至黑洞。

其中，星系團(tuán)是被引力束縛著的巨大系統(tǒng)，動(dòng)輒包含成百上千個(gè)星系。在星系之間存在大量氣體，這些星系際氣體被來自星系的高能輻射電離，成為熾熱的等離子體，溫度高達(dá)5000萬℃以上，在X射線波段相當(dāng)明亮。觀測(cè)它能夠揭露星系團(tuán)的位置，勾勒宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的輪廓。

超新星是大質(zhì)量恒星的回光返照。這些恒星的最初質(zhì)量超過8個(gè)太陽，當(dāng)它們內(nèi)部的核聚變反應(yīng)停止時(shí)，便再也支撐不住自己龐大的身軀，會(huì)在引力作用下瞬間垮塌，造成猛烈的內(nèi)爆。超新星爆發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出多種波長的光，其中就包括X射線。因此，研究宇宙中的X射線，可以了解超新星爆發(fā)背后的物理機(jī)制。

一些特殊的雙星系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出X射線。雙星系統(tǒng)其中一個(gè)成員是一顆大質(zhì)量恒星死后留下的遺骸，可能是中子星，也可能是黑洞。它會(huì)從身邊的伙伴那里奪取氣體，當(dāng)氣體在中子星或黑洞的強(qiáng)大引力場(chǎng)中盤旋時(shí)，會(huì)形成一個(gè)飛速運(yùn)轉(zhuǎn)的吸積盤，溫度急劇升高，并向太空發(fā)射X射線。

還有一種X射線源是黑洞。黑洞本身不發(fā)光，但是當(dāng)它吞噬離得過近的恒星時(shí)，引力會(huì)撕碎目標(biāo)，并在吸積盤里將其升溫，發(fā)出耀眼的X射線，極少數(shù)情況下還會(huì)導(dǎo)致速度接近光速的相對(duì)論性噴流。這類高能現(xiàn)象被稱為“潮汐瓦解事件”，其迸發(fā)的X射線能夠揭示平時(shí)深藏不露的黑洞，并為研究物質(zhì)墜入黑洞的過程提供線索。

人類住在地面上，不用擔(dān)心來自太陽的X射線，因?yàn)榇髿鈱影阉鼈兤帘瘟?。然而這對(duì)科學(xué)研究十分不利，如果要研究宇宙中的X射線，就只能讓觀測(cè)設(shè)備“飛”出大氣層，進(jìn)入太空，這正是發(fā)射“天關(guān)”衛(wèi)星的原因。

“天關(guān)”一詞，取自公元1054年出現(xiàn)在天關(guān)（位于金牛座）附近的一次超新星爆發(fā)，這次爆發(fā)被我國北宋的司天監(jiān)記錄下來，史稱“天關(guān)客星”。它留下的遺骸即赫赫有名的蟹狀星云，在梅西耶天體（由18世紀(jì)法國天文學(xué)家查爾斯·梅西耶所編的《星云星團(tuán)表》列出了110個(gè)天體）中位列第一。時(shí)至今日，蟹狀星云的中心依舊彌漫著強(qiáng)烈的X射線輻射。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2024年6月3日，美國國家航空航天局公布蟹狀星云新細(xì)節(jié)圖。蟹狀星云是中國在公元1054年記錄的超新星爆發(fā)“天關(guān)客星”的遺骸。圖像中心是一顆中子星，被稱為蟹狀星云脈沖星，其兩極的輻射束導(dǎo)致了極區(qū)強(qiáng)烈的X射線輻射。

裝上“龍蝦眼”讓衛(wèi)星“眼觀六路”

雖然X射線與可見光在本質(zhì)上都是電磁波，但它不像可見光那樣易于收集處理。常規(guī)的成像系統(tǒng)沒法聚焦X射線，因?yàn)樗耐干淠芰μ珡?qiáng)，直接就穿過去了。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果以幾乎平行的角度照射金屬面，X射線會(huì)沿著金屬面掠射，那么使用在特定曲面上排布的金屬片，就能把X射線引導(dǎo)到聚焦點(diǎn)。這種成像方式叫作“沃爾特型”，現(xiàn)已在許多X射線望遠(yuǎn)鏡中使用。“天關(guān)”衛(wèi)星配備了兩部相同的沃爾特型觀測(cè)單元，每部單元又套疊了54層鍍金掠射鏡，擁有很高的分辨率和強(qiáng)大的聚光能力。

但是問題又來了，沃爾特型望遠(yuǎn)鏡是用來看細(xì)節(jié)的，視線非常專注集中，只有1平方度（立體角單位，用來衡量球面上一塊區(qū)域的視角大?。騻€(gè)比方，差不多剛剛能裝下站在100米外聊天的兩個(gè)人，但凡他們揮手告別，1平方度的視野就沒法讓倆人同框了。這一限制對(duì)于觀測(cè)已知位置的X射線源來說，固然不是問題，但宇宙中有很多突然閃現(xiàn)的X射線爆發(fā)事件，該如何讓衛(wèi)星做到“眼觀六路”呢？這就要用到一種仿生的新型光學(xué)系統(tǒng)，其靈感來自龍蝦的眼睛。它的進(jìn)光口是排布在球面上的方形微孔陣列，能順利讓X射線通過微米級(jí)的金屬管匯集到成像設(shè)備。

“天關(guān)”衛(wèi)星配備了12個(gè)“龍蝦眼”模塊，視場(chǎng)（天文學(xué)術(shù)語，指望遠(yuǎn)鏡所能看到的天空范圍）非常廣闊，可以覆蓋3600平方度，接近整個(gè)天空的十分之一?；蛘邠Q句話說，“天關(guān)”衛(wèi)星繞地球飛行3圈，就幾乎能看遍整個(gè)天空了。

所以，“龍蝦眼”相當(dāng)于攝影器材里的廣角鏡頭，適合巡視天空。沃爾特型望遠(yuǎn)鏡則相當(dāng)于長焦鏡頭，適合遠(yuǎn)攝細(xì)節(jié)。“天關(guān)”衛(wèi)星平時(shí)的工作流程大致是這樣的：衛(wèi)星一邊繞著地球飛，一邊用“龍蝦眼”大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡巡視太空，當(dāng)它留意到一處前所未見并值得細(xì)看的X射線源時(shí)，就會(huì)將沃爾特型望遠(yuǎn)鏡盯住那個(gè)方向，展開定向精密觀測(cè)。

2022年，我國發(fā)射的“龍蝦眼天文成像儀”作為“天關(guān)”衛(wèi)星的探路者，是這一技術(shù)首次在軌試驗(yàn)。因此，“天關(guān)”衛(wèi)星被認(rèn)為是國際上首顆X射線大視場(chǎng)聚焦成像衛(wèi)星。

觀測(cè)暫現(xiàn)天體 探秘早期宇宙

“天關(guān)”衛(wèi)星于2024年1月9日發(fā)射入軌，經(jīng)過前期校準(zhǔn)調(diào)試，自7月起開始常規(guī)科學(xué)運(yùn)行。它配備的“龍蝦眼”和沃爾特型兩種望遠(yuǎn)鏡表現(xiàn)出色，性能超出設(shè)計(jì)預(yù)期，獲得了可喜的觀測(cè)成果。

憑借寬廣的視野與卓越的X射線探測(cè)能力，在測(cè)試和運(yùn)行初期階段，“天關(guān)”衛(wèi)星探測(cè)到了60例確定的暫現(xiàn)天體（指在天空中忽然出現(xiàn)，持續(xù)一段時(shí)間后消失的天體）、上千例暫現(xiàn)天體候選體、480多例恒星耀發(fā)、上百例已知天體的爆發(fā)，還成功獲取了由我國自主研制設(shè)備觀測(cè)到的首張全天X射線天圖。

“天關(guān)”衛(wèi)星所探測(cè)到的X射線源種類豐富，涉及恒星、白矮星、中子星、各種質(zhì)量類型的黑洞、伽馬射線暴、超新星等，這些天體的輻射持續(xù)時(shí)間短則幾十秒，長則幾個(gè)月。還在測(cè)試早期的時(shí)候，“天關(guān)”衛(wèi)星就在獅子座發(fā)現(xiàn)了一例中等質(zhì)量黑洞潮汐瓦解恒星事件EP240222a，實(shí)現(xiàn)了我國自主天文觀測(cè)設(shè)備在此領(lǐng)域零的突破。

在此過程中，也有表現(xiàn)古怪的特殊天體進(jìn)入“天關(guān)”衛(wèi)星的觀測(cè)記錄。例如，2024年4月8日發(fā)現(xiàn)的EP240408a，通過觀測(cè)并與其他天文機(jī)構(gòu)對(duì)照確認(rèn)，這個(gè)暫現(xiàn)源從被“天關(guān)”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)起，在X波段維持了4天較高的亮度，隨后急劇衰減，到第10天已變得無法探測(cè)。在前20個(gè)小時(shí)里，它還閃現(xiàn)過一次強(qiáng)烈而短暫的耀發(fā)，持續(xù)12秒，比暫現(xiàn)期間的普通亮度高約300倍。更古怪的是這個(gè)暫現(xiàn)源在可見光（人類所見的“光”）及近紅外（人類所感的“熱”）波段都探測(cè)不到。從已知的模型中，研究團(tuán)隊(duì)拿出共同點(diǎn)較多的潮汐瓦解事件、伽馬射線暴、X射線雙星與藍(lán)色快速光學(xué)暫現(xiàn)與之比較，無一符合。據(jù)此，科研團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它可能是一種全新的暫現(xiàn)類型，于是按照它的方位（唧筒座，屬南方朱雀），以“南方朱雀客星”命名。

EP240315a是另一個(gè)意義重大的案例。2024年3月15日，這起X射線暫現(xiàn)事件喚醒了“天關(guān)”衛(wèi)星的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡，“天關(guān)”衛(wèi)星召集國際天文界對(duì)它展開協(xié)同觀測(cè)。光譜數(shù)據(jù)表明，這個(gè)暫現(xiàn)源的紅移（電磁波長因宇宙膨脹而拉伸的增量）是4.859。這個(gè)數(shù)字意味著，當(dāng)射線從一場(chǎng)熾烈的伽馬暴中逃離母星時(shí)，那時(shí)的宇宙只有12億歲（宇宙現(xiàn)已138億歲），當(dāng)它穿越廣袤而不斷膨脹的時(shí)空，最終到達(dá)我們這里時(shí)，距離事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)已有256億光年之遙。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，“天關(guān)”衛(wèi)星應(yīng)有能力檢測(cè)到紅移達(dá)7.5（宇宙7億歲）的同類型伽馬射線暴。這一發(fā)現(xiàn)展示了“天關(guān)”衛(wèi)星通過探測(cè)高紅移伽馬射線暴來研究早期宇宙的潛能，為進(jìn)一步理解恒星坍縮產(chǎn)生黑洞及相對(duì)論性噴流的物理過程提供新視角。英國萊斯特大學(xué)教授Paul O’Brien對(duì)這項(xiàng)成果給予了高度評(píng)價(jià)：“這一發(fā)現(xiàn)為研究宇宙再電離時(shí)期的天體提供了寶貴資料。”

此外，在“天關(guān)”衛(wèi)星發(fā)布的全天X射線天圖中，巨大的銀河系北銀極支和諸多星系團(tuán)清晰可辨，也是研究星系與宇宙網(wǎng)演化的重要線索。

天體物理學(xué)的理論模型或迎挑戰(zhàn)

“天關(guān)”衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)（二期）戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)立項(xiàng)并實(shí)施的空間科學(xué)衛(wèi)星系列任務(wù)之一，是國際上首顆X射線大視場(chǎng)聚焦成像衛(wèi)星，具有國際領(lǐng)先的性能。它的成功發(fā)射和運(yùn)行，標(biāo)志著我國在空間科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破。

我國科研團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十年研發(fā)的大視場(chǎng)成像設(shè)備，為中國乃至全球的天文學(xué)家提供了前所未有的及時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線暫現(xiàn)源的能力。例如，在對(duì)EP240315a的觀測(cè)中，“天關(guān)”的響應(yīng)比美國的格雷爾斯雨燕天文臺(tái)及風(fēng)太陽探測(cè)器早了372秒——對(duì)于伽馬射線暴這樣旋生旋滅的事件，這372秒是至關(guān)重要的黃金觀測(cè)時(shí)間。

“天關(guān)”衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不僅豐富了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，也對(duì)天體物理學(xué)的理論模型提出了挑戰(zhàn)。像EP240408a這樣的特殊天體，其獨(dú)特的輻射特性可能需要科學(xué)家重新考慮現(xiàn)有的天體物理模型，甚至可能催生新的理論。

“天關(guān)”衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)不是孤軍奮戰(zhàn)，迄今已發(fā)出100多條天文警報(bào)，引導(dǎo)世界上其他天文機(jī)構(gòu)在多個(gè)時(shí)間窗口、多個(gè)波段對(duì)暫現(xiàn)源進(jìn)行后隨觀測(cè)，以了解目標(biāo)天體的詳盡信息。例如，對(duì)伽馬射線暴EP240315a的發(fā)現(xiàn)和研究，在可見光和紅外波段召集了地面上的7部望遠(yuǎn)鏡，從北京、烏魯木齊、西班牙加那利群島、智利帕拉納爾山與美國格雷厄姆山等地分別發(fā)起觀測(cè)；在射電波段，有建在澳大利亞新南威爾士和英國的兩座射電望遠(yuǎn)鏡陣參與其中；在X射線波段，得到了美國兩座空間探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)支持。這些不僅體現(xiàn)了“天關(guān)”在時(shí)域天文領(lǐng)域的引領(lǐng)作用，也彰顯了其國際影響力。

“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員袁為民說：“‘天關(guān)’衛(wèi)星早期的這些發(fā)現(xiàn)表明，我們之前所認(rèn)識(shí)的暫現(xiàn)天體可能只是冰山一角。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于我們研究宇宙中的極端天體及其物理過程的多樣性具有重要意義。”隨著“天關(guān)”衛(wèi)星的持續(xù)運(yùn)行和數(shù)據(jù)積累，未來將取得更多科學(xué)成果，而通過國際合作和交流，人類探索宇宙未知領(lǐng)域也將獲得更多收益。

（作者為中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）