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“慧眼”独具 给宇宙来张X光“留影”
发布日期:2017年07月05日    信息来源:《科技日报》 字体:【】【】【

 


  6月15日,我国首颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜(“慧眼”)在酒泉发射成功,顺利进入了高度550公里、倾角43度的近地轨道,成为了在轨运行的X射线天文卫星大家族的一员。


  空间天文是观测与机遇的学科,新的设备新的方法往往引起新的重大发现。“慧眼”加入空间观测队伍,使得空间X射线天文观测手段更加多样,为多波段观测伽马暴、硬X射线银道面扫描、发现新的变源和新的黑洞以提供了新的可能。


  极端物理过程的探针


  在漆黑的夜里点燃蜡烛,可以看见内外三层燃烧火焰,最外层的火焰颜色最为明亮,最内层的火焰最暗,这是因为最内层的温度最低,最外层的温度最高。火焰温度不同,发出的光的颜色也即波长不同,温度越高波长越短。


  蜡烛火焰的温度只有几百摄氏度可以发出可见光,那当燃烧的温度达到上百万摄氏度时情况又将如何?比如太阳的日冕燃烧的温度达到了上百万摄氏度,可以发出波长短到肉眼已经看不见的光,也就是X射线。


  X射线与可见光一样都是电磁波。可见光的波长在400纳米—700纳米左右,而X射线的波长小于1纳米,只有可见光的几百分之一。越短的波长意味着拥有更高的能量,可见光的能量只有2电子伏特(eV)左右,而X射线的能量可以达到1keV至几百keV。当其能量在10keV以下时被称为软X射线,当能量达到20keV以上时称为硬X射线。通过捕捉X射线,科学家得以对宇宙中的高温、高密等极端物理环境进行研究。


  比如黑洞吸积物质时会形成一个旋转的气体吸积盘。吸积盘中气体高速旋转,摩擦力使吸积盘中心气体的温度达到惊人的高度,并发出强烈的X射线。通过捕捉宇宙中的X射线就可以推断黑洞的存在。1970年发射的第一个X射线天文卫星乌呼鲁(Uhuru)的观测证实了黑洞的存在,而“天鹅座 X-1”是第一个被认定为黑洞的天体,是天空中一个很强的X射线源。


  给X射线源“留影”不容易


  不同于可见光的观测,因为大气吸收导致X射线无法在地面进行观测,只能将X射线望远镜送入太空进行观测。


  1962年贾科尼领导的小组利用探空火箭第一次探测到太阳系以外的X射线源天蝎X-1和X射线背景辐射。这一发现让贾科尼获得了2002年的诺贝尔物理学奖。


  因火箭的探测时间太短,往往只有几分钟时间,科学家们进而采用发射卫星的方式,获得稳定的长时间观测数据。1970年世界上第一个空间X射线天文卫星发射成功并完成了首次X射线巡天观测。


  早期X射线观测都是简单地探测来自天体源的光子数目,没有空间分辨能力。而在星系的中心往往存在多个X射线源,需要进行成像观测才能进行区分。1978年发射的Einstein(HEAO-2)空间X射线望远镜首次实现了X射线的成像观测,成功发现了上千颗新的X射线源。


  但要让发出X射线的天体在“照相机”中留下身影不容易。比如在体检时拍X光片。由于X射线的能量高、穿透能力强,从X光发射源发出的X光会直接穿透人体。最后在胶片上留下的深浅不一的照片并非代表它最初的强弱变化,而是它在穿透人体、被不同人体结构吸收后形成的图像。


  要给X射线“留影”,一般要用到“掠入射”这一物理现象。也是因为X射线的能量比可见光高、穿透能力强,因此它不能像可见光一样在任意角度入射都可以发生反射,只有当入射X射线与镜子近乎平行时才可能发生反射。这种情况被称为掠入射。入射X射线与镜面夹角越大则反射概率越小。掠入射聚焦成像主要集中在0.1—10keV的软X射线波段,其中最为著名的是目前仍在轨运行的XMM-Newton以及Chandra卫星。


  硬X射线成像观测进展缓慢


  硬X射线比软X射线能量更高,穿透能力更强,因而硬X射线用掠入射的方式聚焦成像较为困难,在镜子表面发生反射的概率更低。目前仅有在轨运行的核分光望远镜阵列卫星(NuSTAR)将聚焦成像的能端扩展到了硬X射线波段,但对聚焦镜子表面粗糙度要求达到了几层原子的厚度,加工难度巨大,装配周期长。


  2002年发射升空的国际伽马射线天体物理学实验室卫星(INTEGRAL)突破了这一观测障碍。它首次采用编码孔径技术实现了硬X射线源的成像。2004年发射升空的雨燕号卫星(SWIFT)也用同样方法实现了全天区的硬X射线观测。所谓编码孔径成像技术,就像太阳通过树叶的缝隙在地面形成光斑一样。不同方向入射的X射线经过编码板后会形成不同的投影,通过投影反推得到入射X射线的方向,从而实现成像。编码孔径成像需要位置灵敏探测器,仪器相对复杂,而且由于编码板的遮挡,大部分入射的X射线都无法被探测,探测效率较低。


  “慧眼”探测另辟蹊径


  但掠入射和编码孔径技术都不是“慧眼”的选择。


  “慧眼”采用更为简单的方法实现了硬X射线的聚焦成像,即直接解调成像。通过在探测器前面安装准直器,也即通过限制入射的X射线,“慧眼”只允许与准直器成一定夹角的X射线穿过,实现对入射X射线的调制。通过调整卫星的姿态,使得准直器的扫过天空的不同地区,测量得到不同天区的X射线强度。利用我国学者的直接解调成像即可实现对天体源的硬X射线成像。由于“慧眼”采用非成像探测器,探测器的数目由INTEGRAL的10000个降到了只有18个,极大降低了对读出电子学的需求,同时降低了功耗。相较于其他X射线空间望远镜“慧眼”拥有更大的面积,意味着在进行爆发源短时间内的光变特性研究时可以探测到更多的光子数,因而具有更高的可信度。“慧眼”上天后在卫星平台的测试阶段,即捕捉到了伽马暴充分说明了其优势。


  其实“慧眼”并不局限于硬X射线这一能段,研制团队后来为它加上了低能和中能X射线探测器,使它的能区覆盖范围扩大到1—250keV,三个探测能段相互重叠,还可以通过对同一个天体源进行观测实现相互间的交叉标定。首席科学家张双南又创造性地添加了观测伽马暴的任务,使卫星的能量覆盖范围在原来的基础上扩大了10倍。


  目前约有10颗空间X射线天文卫星在轨运行。“慧眼”凭借其独特优势,定能在国际天文研究领域,看到属于自己的一片广袤星空!

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