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黑洞,中国“慧眼”来了
2017-06-19 07:54:58 来源: 中国青年报
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  终于,浩瀚宇宙架起了一台属于中国人自己的大型天文望远镜。

  6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”乘坐长征四号乙型火箭飞向苍穹,成功跻身太空观察员俱乐部,与蜚声国际的“哈勃”“钱德拉”等天文望远镜卫星一道,“站”在大气层之上尝试巡天遥看一千河。自此,我国在空间高能天体物理领域长期没有自主观测数据的历史将要结束。

  事实上,深邃而神秘的太空从未平静,星辰大海中日复一日的斗转星移、绕行伴飞,黑洞张开大嘴吞噬光线,超新星突然爆发、中子星意外形成,恒河沙数的各类天体在太空这个大舞台上无时无刻不上演着一幕幕“太空舞台剧”。唯独少了的,是来自中国的“观众”。

  如今这一僵局被打破。正如“慧眼”卫星工程总师、航天科技集团五院研究员马世俊所说,该卫星填补了我国空间X射线天文卫星研制的空白,实现了我国天文观测由地面观测到天地联合观测的跨越,铸就了我国天文学发展史上的里程碑。

  黑洞、中子星,以及宇宙演化的奥秘,中国人来了。

  望远镜:搬到太空更近距离观察

  早在几千年前,人类就开始用肉眼观测星空,试图找出它们的运行规律,中国古人“观天授时”确定二十四节气就是一个典型的例子。后来,人类又发明了各类天文仪器,借助这些仪器设备,将“欲穷千里目”变为了现实。

  实现方法有两种:一种被称作“地基观测”,即在我们所熟知的地球上建立天文台,通过各种天文望远镜,针对可观测到的天体进行长时间的监测,以获取各种观测数据。不管是去年名噪一时的世界最大单口径500米射电望远镜FAST,还是我国最大的光学望远镜LAMOST,都属于这一类。

  另一种被称作“轨道观测”,或空间天文探测,也就是发射天文卫星,到太空特定轨道,在空间开展天文探测。目前少数国家已经实现了这种观测手段,这其中最知名的,就属美国的空间望远镜“哈勃”。

  如今发射升空的“慧眼”,就属于后者。“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星,马世俊说,作为我国首个空间X射线天文卫星,该卫星承载着我国高能物理学界与天文学界众多科学家多年的梦想,科技人员将借助这颗望远镜卫星对宇宙中各类硬X射线进行近距离观察。

  那么,为何不在地面上观测X射线,却要绞尽脑汁跑到天上去?

  硬X射线调制望远镜卫星首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员张双南说,之所以要将硬X射线望远镜卫星发射到几百公里之外的近地轨道,是因为地球大气对X射线是“不透明的”,后者在穿越地球大气层时会出现严重衰减,地面观测的准确性、全面性会大打折扣。

  相应地,“只有在太空进行观测,才有可能探测到来自天体的X射线”。

  他告诉记者,1999年美国发射的钱德拉X射线望远镜,以及同时期进入太空的欧洲牛顿卫星,作为21世纪初天文学最主要的观测设备,开启了X射线天文学的新时代,取得了一大批重要的研究成果。

  X射线:勾画黑洞等天体轮廓

  一个紧接着的问题是,为何要探测X射线。

  其实,何谓X射线,人们并不陌生,不管是医院体检照射的X光,还是机场过安检,采用的都是这种X射线——一种波长小于1纳米的电磁波。

  不过鲜为人知的是,这种射线还是外太空的“常客”——

  一个质量大于8个太阳的恒星,可能会以大爆炸的形式演化成中子星;而质量更大的,则有可能演化成黑洞。在这一系列的演化过程中,中子星和黑洞就会向外放射出穿透性极强的X射线。

  硬X射线调制卫星系统载荷分系统专家、中科院高能所研究员宋黎明告诉记者,在宇宙中,脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等都会射出X射线。如果可以接收到这些射线加以分析,就能勾画出这些天体的轮廓,对人类探索太空具有重要意义。

  以黑洞为例,从1964年美国探空火箭所携带的探测器发现第一个黑洞——天鹅座X-1,到2014年美国科幻大片《星际穿越》形象描绘黑洞模样。黑洞,这个吞噬一切的神秘天体,魔咒一般地吸引着我们,从未停止。然而,50多年过去了,人类对黑洞的探索仍然处于初始阶段。宋黎明说,这也是为何科学家还要探测X射线。

  当然,并非所有的空间望远镜都能够实现对X射线的观测,比如我们熟知的“哈勃”,就无法观测X射线,这个有些“颜控”的空间望远镜,只能观测太空中的可见光波段,“用它明亮的大眼睛观测着星际间的美好”。

  航天科技集团五院西安分院主管遥感数据传输类卫星研制的副院长杨毅说,可见光波长范围在390~780纳米,而X射线波长范围是0.01~10纳米,其波长比可见光波长小得多,必须用专门的X射线望远镜才能观测。

  遗憾的是,在中国之前,人类“甩”向太空的天文望远镜卫星,只能看到波长在0.1~10纳米的X射线,即所谓的“软X射线”,而对于能量较高,波长在0.01~0.1纳米之间的X射线,即所谓的“硬X射线”,却是“视而不见”。自然,也将失去很多“太空舞台剧”的细节和精彩。

  相应地,中国“慧眼”作为世界上灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜卫星,则是这场舞台剧的前排“VIP观众”,有望发现黑洞和未知类型天体。

  放飞的卫星:科学成果往往不是事先预期的

  按照张双南的设想,这些X射线漂洋过海来到地球附近,就会被“慧眼”卫星观测到。正如武林高手都有成名兵器一样,这名宇宙观察员也随身携带4种独特“兵器”——高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜以及空间环境监测器。

  有了这4样法宝,硬X射线调制望远镜卫星如同拥有了“火眼金睛”,成为世界上目前已经应用的同类探测器中探测面积最大的一个,可以对整个X射线谱段进行探测——不仅能够“软硬兼收”,及时捕捉到绝大多数天体发出的软X射线和硬X射线,开展全谱段探测,甚至连暗、弱天体目标也逃不出它的“法眼”。

  可以说,“慧眼”能将宇宙事件的发生、发展到结束的全过程尽收眼底。根据张双南预期,该卫星在轨运行期间可能会有三个发现——

  一是对银河系巡天的工作,“对有些源要进行监测性观测,也就是要反复地看,看它有没有变化”,可能会发现一批以黑洞和中子星为主的新的天体源。

  二是会对一批比较亮的中子星和黑洞做定点观测,“一次看很长时间,积累足够统计意义的数据”,有可能对于中子星和黑洞的性质,如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解他们为什么有各种各样的活动性。

  三是每年可能会发现几十个到上百个伽马射线暴,如果其中的一些事例和引力波的事例存在联系,那将是很重要的进展。“比如说别人看到了新的天体,或者我们的银河系巡天当中发现了新的东西,这个时候我们就会中断常规任务,去对这些目标进行比较详细的观测。”张双南说。

  不过,他也告诉记者,这些都是预期的科学成果,从目前已有的空间天文望远镜或地面观测站来看,他们取得的很多重要科学成果“往往不是事先预期的”,比如哈勃望远镜十大重要的科学发现,从来都没有出现在预期结果清单中。

  “因为宇宙比我们想象的更复杂更奇妙。”张双南说。

  如今中国这个被寄予厚望的望远镜卫星被命名为“慧眼”,有两个理由,一个是遂了该卫星科学家团队的心愿,用来纪念我国天体物理奠基人之一何泽慧院士,希望这架空间望远镜能如她的眼睛一样,寻找高能天体的美丽风景。

  另一个理由是,以此表示祝愿,“希望这颗硬X射线望远镜卫星‘慧眼如炬’,能穿过星际物质的遮挡发现黑洞。”张双南说。

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【纠错】 责任编辑: 凌纪伟
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