首个硬X射线调制望远镜发射成功!中国太空“慧眼”了不起

2017年06月21日
(本文来源:科普中国微信公众号 专家:诸葛文,空间探测首席传播专家,科普中国微平台原创首发)
6月15日11点,我国成功发射了“慧眼”硬X射线调制望远镜。这是我国首个空间望远镜,可实现我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。
“慧眼”硬X射线调制望远镜飞行示意图
空间望远镜有哪些与众不同之处?
众所周知,空间望远镜相当于把天文观测台搬到太空中,所以可轻而易举地改变了以往坐地观地、坐地观天的传统,摆脱大气层对天文观测的影响,在全频段范围内对宇宙空间进行详细的观测,对人类科学认识宇宙有革命性地推动,与其他人造地球卫星相比,空间望远镜有一些与众不同之处,比如:其指向精度要求很高,一般用太阳或者恒星作为指向的基准;对其结构要求也很高,这是与其指向精度要求相关的一项要求;其上的观测仪器复杂,有的还需要在超低温的状态下才能可靠工作;空间望远镜的观测数据量一般很大。
宇宙中的万物每时每刻都在不断向空间辐射电磁波。由于各种天体的性质和特点不同,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,对宇宙进行详细了解的。因此,目前空间望远镜大多是按照所观测的宇宙中电磁波谱来分类,即分为可见光空间望远镜、X射线空间望远镜、γ射线空间望远镜和空间红外望远镜等,其中有的是没有镜片的空间望远镜。著名的“哈勃”就是用于观测地外天体辐射的可见光和近红外线。
这些空间望远镜各有所长,谁也不能一统天上。这是因为宇宙中的天体由于温度不同而发出各种波段的电磁波,靠1个空间望远镜很难进行全部波段的观测。一般来说,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,γ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、红外和射电波。
对“慧眼”电性件进行联试
 “慧眼”的绝招——直接解调成像
近些年,随着X射线空间望远镜成果颇多,所以越来越受青睐。这种空间望远镜也称空间高能望远镜,因为它们主要用于观测宇宙中的高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。宇宙中很多极端天体物理过程都会产生和散发强烈X射线和γ射线辐射的高温气体,比如中子星和黑洞吸积物质的过程。高能带电粒子在磁场中的辐射以及中子星的表面和量子黑洞的蒸发也会产生丰富的X射线辐射。
由于宇宙中许多天体都散发X射线,因此探测宇宙中的X射线对了解宇宙奥秘具有重要意义。但由于X射线极易被介质吸收,因此在有地球大气阻隔的地面上根本无法对宇宙X射线进行观测,只能在太空进行观测。近些年来美国、欧洲、日本、印度都研制和发射了多个X射线空间望远镜。
“慧眼”有效载荷结构件组装
虽然我国X射线空间望远镜起步晚,但起点高。这次发射的我国首个X射线空间望远镜“慧眼”就与众不同,它主要是探测宇宙中的硬X射线。根据波长,X射线波段可细分为3段:通常把波长在0.1~10纳米的X射线称为软X射线,其能量相对较低;波长在0.01~0.1纳米之间的X射线称为硬X射线,其能量相对较高;波长在0.01~0.001纳米的被称为超硬X射线,是能量相对最高的X射线。硬X射线来自最靠近黑洞视界的区域,是探测黑洞和研究黑洞附近物理过程的一个关键窗口,我国的“慧眼”主要对这一段进行探测,并采用了一个“绝招”——直接解调成像。应用我国科学家首创的直接解调成像方法,可以实现宽波段、高灵敏度、高空间分辨率X射线巡天和定点观测,绘制高精度X射线天图,探索新的天体类型,实现空间硬X射线高分辨巡天,发现大批高能天体和天体高能辐射新现象,并对黑洞,中子星等重要天体进行高灵敏度定向观测,推进人类对极端条件下高能天体物理动力学、粒子加速和辐射过程的认识。
与国外复杂和昂贵的编码孔径成像系统相比,采用直接解调成像的方法分辨率高,同时可有效抑制噪音干扰,背景异常干净,并简单准确,能极大提高探测定位的精度,其定位精度可以接近可见光探测精度,从而为“慧眼”探测宇宙空间各种高能事件,取得令人振奋的成果提供了保证。
 “慧眼”探测器能谱范围非常宽
“慧眼”继承了资源2号遥感卫星平台的技术状态,设计寿命4年,质量2496千克,运行在高550千米、倾角43°的圆轨道。卫星本体呈立方体构型,装载高能(工作能段为20~250千电子伏特)、中能(工作能段为5~30千电子伏特)、低能(工作能段为1~15千电子伏特)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。
“慧眼”上的科学仪器示意图
3个X射线望远镜可在不同能段同时观测一个天体,能观测1~250千电子伏特能量范围的X射线。由于不同能量的X射线辐射起源于天体上不同的物理过程或者具有不同物理条件的区域,因此在不同的能段观测天体,可对天体的活动给出更全面和准确的诊断。空间环境检测器装在卫星载荷舱的外面,是为了监测“慧眼”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。
由于“慧眼”上的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γ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1~250千电子伏特能区的大天区巡天和定点观测;在γ射线暴工作模式下,可以监测超过一半左右的天空在0.2~3兆电子伏特软γ射线能区的暴发现象。
 “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0.2~3兆电子伏特能区暴发现象,研究γ射线暴,寻找引力波暴的电磁对应体。
“慧眼”研制团队(来源:航天科技集团五院)
 “慧眼”的优势在哪?
与目前在轨运行的7个国外X射线空间望远镜相比,“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;具有国际上最大面积的硬X射线/软γ射线能段探测器。
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射线望远镜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γ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γ射线暴、搜索引力波暴的电磁波对应体的灵敏度,对γ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。
 “慧眼”具有比欧洲“国际γ射线天体物理实验台”、美国“雨燕”等更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力,能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体,并研究宇宙硬X射线背景的性质。其直接解调扫描数据能实现高分辨和高灵敏度成像以及对弥散源的成像;而大面积准直探测器又能获得特定天体目标的高统计和高信噪比数据,使“慧眼”既能实现大天区成像,又可通过宽波段时变和能谱观测研究天体高能过程。它将实现世界最高灵敏度和最好空间分辨率的硬X射线巡天,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。
未来,我国空间科学探测更精彩
 “慧眼”入轨之后的第5天将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。
我国空间科学家还提出了2016—2030年我国空间科学的一系列计划和任务建议,例如,“黑洞探针”计划,它用于回答几个重要的关于宇宙组成和演化的前沿科学问题,包括已发射的“慧眼”、天宫2号上的“γ暴偏振探测项目”等;“天体光谱”计划,它是对天体的各种波段(光学、射电、X射线等)的光谱进行高分辨的测量,包括已发射的“悟空”暗物质粒子探测卫星。
“磁层—电离层—热层耦合”小卫星星座示意图
在2020年前后,我国还将发射5颗新的科学卫星,例如,“太阳风—磁层相互作用全景成像”卫星、“磁层—电离层—热层耦合”小卫星星座、“全球水循环观测”卫星、“爱因斯坦探针”卫星和“先进天基太阳天文台”卫星,它们将在基础科学方面不断产出重大原创性成果。此后,“慧眼”也可能有更先进的“接班人”——增强型X射线时变与偏振探测卫星,它采用国际合作方式研制。
编辑:纪阿黎
 
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