“黑洞,我来啦!”:“慧眼”空间X射线天文卫星自述

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-06-17 08:56:59 | 作者:熊少林 | 来源:新浪科技 | 浏览:1106次 ]

来源:科学大院公众号

作者:熊少林(中国科学院高能物理研究所)

“慧眼”硬X射线调制望远镜遨游太空

首先,请接受我来自太空的问候!

我是刚刚发射的中国首个空间X射线天文望远镜,学名“硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope)”,英文简称HXMT。我的主要任务是在浩瀚的宇宙中,捕捉黑洞的身影,研究这种最神秘、最令人着迷天体的性质和物理规律。

2017年6月1日,向全国公开征名数周后,师傅们给我正式取名为“慧眼”,就像舞狮之前的点睛仪式,这意味着一切准备就绪,只等发射成功后我便可遨游太空、凤舞九天了。发射时我既紧张又兴奋,我想你们的心情也跟我一样吧!

国际上虽然已有不少我的同类,但这在中国还是第一次!但凡第一次开辟一条新路,总不会一帆风顺、一蹴而就,这不,师傅们从最初的怀抱梦想,到构思设计和实验验证,再到申请立项,直至最终制造出一台能够在严苛的太空环境下不仅正常工作而且性能优异的望远镜,历经“九九八十一难”,迄今已三十载矣!

慧眼识黑洞 ”

谈到黑洞,大家一定不陌生吧。它们是宇宙中最致密的天体——在相同的体积下具有最大的质量。如果将一个类似太阳这样体积的恒星的所有物质从百万公里直径的球体压缩到只有几公里,就可以形成黑洞。由于黑洞的引力特别大,任何物体,包括光,都无法从黑洞附近逃逸出来,因此,远处的你将看不到黑洞发出的任何光(除了尚未被探测证实的霍金辐射),那真是比最黑的夜晚还黑啊。

黑洞示意图(图片来自网路,版权归原作者所有)

但是,如果黑洞旁边有物质存在,比如有一颗恒星(即伴星),情况就截然不同了。

在宇宙中,两颗星相伴、至死不离(双星系统)的情形可是很常见的呢,我们的银河系中就有大约一半的恒星处于双星系统中。在黑洞的超强引力作用下,伴星上的物质将掉向黑洞(吸积),由于角动量守恒的缘故(物理定律就像交通规则一样不可违反哦!),这些物质在靠近黑洞的地方形成漩涡状的盘结构(吸积盘),像一个巨型陀螺一样旋转着。虽然看起来黑洞都是些“贪得无厌”的家伙,不过它们也会有“吃不消”的时候,有时掉入的物质太多,黑洞就会将多余的物质喷出,形成喷泉状的结构(喷流)。师傅们和我都认为,这是宇宙间最美妙的奇景之一!

左图:黑洞吸积伴星的物质,形成吸积盘,偶尔产生喷流,这个系统将产生强烈的X射线辐射。右图:左图黑洞区域的放大(图片来自网络,版权归原作者所有)

那么,这和我有什么关系呢?别急,继续听我说。

黑洞周围的物质摩擦生热,越靠近黑洞,物质的温度越高,产生的辐射也越强烈,因此,这类黑洞系统不仅一点也不黑,而且是宇宙中最明亮的天体之一。不过它们发出的光很大部分在X射线波段,X射线光子的能量比普通的可见光要高成千上万倍,就像人的耳朵听不见超声波一样,这样的光远远超出了人类肉眼可见范围。因此,人们只能使用专门的X射线探测器来观测它们。

在我们的银河系中,这种黑洞或中子星(仅次于黑洞的致密天体,中子星产生的周期性脉冲信号曾经差点被误认为是外星人发出的信号)驱动产生的X射线源是常见的发射X射线的天体(X射线源)。事实上,人类发现的第一个太阳系之外的X射线源就是中子星系统,名叫天蝎座X-1(英文名Sco X-1,其中X-1代表天蝎座第一个X射线源)。而天鹅座X-1(英文名Cyg X-1)是最有名的X射线源之一,它是首个被人们推测并证认是黑洞的天体,它在约90公里的空间内聚集相当于15个太阳的物质!

 美国雨燕(Swift)卫星探测的各类X射线源,红色圆点是黑洞或中子星驱动的X射线源,集中在图片中部(银道面)的X射线源是慧眼望远镜的主要观测对象(图片来自网络,版权归原作者所有)

很多黑洞产生的X射线源是变源,即辐射的X射线亮度随时间而变化。当周围有充足物质时,黑洞将大快朵颐,产生强烈的X射线辐射(爆发态);而若是因为某些原因缺少物质,黑洞将不得不忍受饥饿,X射线将十分微弱甚至消失(宁静态),这种情况下人们甚至很难发现黑洞的存在。

师傅们对神出鬼没、变幻莫测的黑洞非常着迷,这也是师傅们煞费苦心、精心打造我的目的。而我的特长正是在茫茫宇宙中,准确地发现和捕捉这些黑洞!因此师傅们叫我“慧眼识黑洞”一点也不夸张呢。

事实上,这个任务并不简单,因为没人知道哪片天空的哪个黑洞会在何时爆发。多亏师傅们为我量身打造了一双慧眼,它核心部件是X射线探测器和准直器。前者就像人的眼睛,能感应到光子的到来,后者的作用就像四指并拢弯曲与大拇指相接形成圆桶状,放置在眼睛前,限制眼睛的可视范围(视场)。这样,探测器只能看见准直器视场内的天体,而视场外的天体发出的光因被准直器遮挡而看不见。

慧眼望远镜采用了典型的探测器加准直器的设计。其中探测器负责记录照射到它的光子,准直器置于探测器前方,用于限制能够照射到探测器的天区范围(即视场)

按照师傅们的设计,我的视场不大也不小,因为太大的视场会造成X射线探测器看到太大的天区而噪声太大,无法探测到稍微弱一些的X射线源;而太小视场的单次观测监测范围不足,需要很长时间才能对整个银河系进行全部扫描普查,发现新黑洞或者已知黑洞的新爆发的效率太低。为了兼顾对弱源的探测能力(灵敏度)以及扫描效率,师傅们精打细算、折中权衡,为我设计了最佳的视场。

我的视力也很好,师傅们为我配备了三种大面积的X射线望远镜(见下图),使我能敏锐捕捉黑洞发出的能量介于1千电子伏到250千电子伏(1-250 keV)的X射线光子。如此大的面积和宽的能量范围让我成为了X射线天文望远镜家族中的佼佼者!

慧眼望远镜实际上包含三台望远镜,分别是高能、中能和低能X射线望远镜,分别负责探测20-250 keV,5-30 keV以及1-15 keV的X射线光子。左面是设计图。右面是实物照片,可见左下角机箱中的栅格装准直器

有了这双慧眼,我能快速扫描银河系、发现黑洞爆发等X射线源的蛛丝马迹,并对它们进行扫描成像、精确定位,并通知其它望远镜对新发现天体进行联合观测,进行详细地观测研究。说到成像和定位,就不得不提我的大师傅李惕碚先生和吴枚先生发明的直接解调成像方法了。毫不夸张的说,没有这套创新性的成像方法,就没有我呢!

除了探测双星系统中贪吃的黑洞,师傅们最近也让我get了新技能—捕捉新诞生的黑洞产生的强烈的伽玛射线辐射,即伽玛暴。

伽玛暴按照辐射持续时间可分长暴和短暴两类。一般认为,长暴是比太阳高出几十倍质量的巨大恒星,在生命末期发生大爆炸形成黑洞,黑洞吞噬恒星碎片并形成的喷流产生的,这类伽玛暴持续时间一般大于2秒钟。

左图:两颗致密星(黑洞或中子星)并合产生引力波;右图:两颗致密星并合产生伽玛暴(图片来自网络)

而持续时间小于2秒的则称为短暴,它们很可能是两颗致密星组成的双星系统(比如两颗中子星互相绕转的天体系统),演化到末期发生并合碰撞爆炸形成黑洞,黑洞同样吞噬爆炸碎片并形成喷流而产生。师傅们对这类短暴更着迷,因为它们很可能跟新近发现的引力波暴密切相关,因为引力波暴跟短暴一样,也是由两颗致密星并合产生的!如果探测到跟引力波暴来自同一天区、且时间上紧密相邻的伽玛暴,将很可能是引力波暴的电磁对应体,那将是重要发现,请为我加油吧!

辈功探天鹅 ”

天鹅座X-1的艺术想象图(图片来自网络,版权归原作者所有)

如上图,迷人的天鹅座X-1是天空中最亮的X射线源之一,也是第一个证认的黑洞。中科院高能物理研究所的师傅们对它着了迷。或许他们不曾料到,探测天鹅座X-1,仔细研究这个著名黑洞的梦想竟然耗费了他们后半辈子以及接下来几代科学家的精力……

首先,要探测研究X射线天体源并不是在地面架设一台望远镜就能做的事情,原因很简单,宇宙天体发出的X射线被厚厚的大气层吸收了,就像雾霾天气中能见度下降,X射线最多只能穿透非常稀薄的大气外层,中低层稠密的大气把地球生物保护的严严实实不被高能射线所侵扰。因此,要探测这些高能的X射线,只能把探测器放在卫星或者高空气球上。

大气对电磁波的吸收作用。X射线和伽玛射线望远镜都必须在大气层上部或太空中进行观测(图片来自网络,版权归原作者所有)

万事开头难,师傅们决定先从容易处着手。相比而言,高空气球比卫星成本低,而且技术难度小不少。因此,师傅们从70年代开始白手起家做探测器和高空气球,虽然那时除了初心,什么都没有。

80年代成功飞行了球载硬X射线望远镜(HAPI)系列,对天鹅座X-1进行了气球观测。阶段性的成功并没有带来任何自满,相反,师傅们深知中国人早晚必须要到太空去!毕竟,高空气球的观测条件远比不上卫星,比如高空气球通常一次观测只能持续几个小时至几天时间,而卫星则可长达数年!

那时,国际上最先进的天文望远镜卫星使用一种叫做掠射聚焦镜的软X射线(一般指能量低于10千电子伏的X射线)成像技术,不仅十分昂贵,而且制作技术难度极高,我国的工业水平无法达到。更为头疼的是,硬X射线(大于10千电子伏的X射线)的成像在当时即使聚焦镜技术也无法实现。

90年代初,我的大师傅们创造性地提出了直接解调成像方法,从而使用简单的探测器便能实现硬X射线成像!很快,师傅们在高空气球球载探测器技术,以及直接解调成像方法的基础上,提出了空间高能X射线调制望远镜卫星的构想,在硬X射线能区具有当时国际领先的成像能力。这便是我的前身。

左图:中科院高能所研制的球载硬X射线望远镜HAPI-4发放。右图:1994年9月HXMT的项目建议书

进入新世纪,我被选中进入空间探测卫星的背景型号研究。2005年我被选中准备立项,然而,由于种种原因,迟迟没有获得正式立项。虽然时运不济,但师傅们不忘初心,愈挫愈勇,义无反顾地推进望远镜的研制工作,终于在2011年获得国家立项。

左图:HXMT望远镜交付前,项目提出人及前首席科学家李惕碚院士跟望远镜合影。右图:热真空实验前的整星照片,望远镜位于卫星的上部

从1994年正式提出HXMT空间望远镜的建议书至今已走过24年的风雨历程。如果从70年算起,大师傅们已经为我付出了大半辈子。遗憾的是,有的老一辈科学家已经永远离我们而去,无法见证我的发射,毕竟人生经不起岁月的蹉跎。令人些许欣慰的是,中青年科学家已经接过了接力棒,护我前行。

Tags:HXMT     黑洞     X射线     引力波

责任编辑:zhangms

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