“愛因斯坦探針”：助人類窺探神秘太空

吳馥梅 曾楊希

2024年1月9日15時03分，我國在西昌衛星發射中心采用長征二號丙運載火箭，成功將“愛因斯坦探針”科學衛星發射升空，衛星順利進入預定軌道。此次任務是長征系列運載火箭的第506次飛行。西昌衛星發射中心實現2024年首次發射任務“開門紅”，同時也拉開了全年高密度發射任務的序幕。

“愛因斯坦探針”衛星是中國科學院空間科學先導專項繼“悟空”“墨子號”“慧眼”“實踐十號”“太極一號”“懷柔一號”“夸父一號”之后，研制發射的又一顆空間科學衛星。因為該顆衛星的主要科學目標涉及黑洞、引力波等愛因斯坦相對論的重要預言，所以取名為“愛因斯坦探針”。那么，這根“探針”到底有何作用與意義呢？據了解，它是宇宙天體爆發的“捕手”，能精準捕捉更加遙遠和暗弱的暫現源和爆發天體，探尋來自引力波源的X射線信號，對研究恒星活動以及黑洞和中子星等致密天體的形成、演化、并合等過程具有重要科學意義。

巧用龍蝦眼成像原理，看得廣，又看得細

空間望遠鏡、天文衛星在地球軌道或者其他太空位置進行天文觀測時，比地面有更大優勢，可以不受地球大氣層的影響，觀測到地面無法觀測的一些宇宙天體射線，從而幫助人類了解和研究地外天體。這些射線中，X 射線、γ 射線的輻射能量很高，觀測它們可以獲得更有價值的天體信息。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩介紹，在觀測X 射線的衛星中，按能量不同，可分為硬X 射線與軟X 射線。我國第一個X 射線望遠鏡是以硬X 射線為觀測目標的“慧眼”衛星，“而此次發射的‘愛因斯坦探針則能更好地觀測軟X 射線，對于黑洞、宇宙中的‘禮花等快速發生的天文現象有更好的觀測能力”。

長期以來，因為很難被折射和反射，軟X 射線極難探測。而此次的“愛因斯坦探針”在國際上首次大規模運用了“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術，探測能力大大提升。從龍蝦眼睛奇特的聚焦成像原理中受到啟發，科學家設計出了這種新型的X 射線望遠鏡，其同時具有超大觀測視野和更高的探測靈敏度。與龍蝦球狀眼睛上的方形微孔類似，“愛因斯坦探針”所用的寬視場X 射線望遠鏡（WXT）也由很多方形微孔組成，獨特的設計使得軟X 射線得以聚焦，同時弧形結構也讓WXT 可以接收更大范圍的光。

也就是說，這種望遠鏡在看得很廣的同時，還可以看到更暗、更遠的宇宙。正因如此，“愛因斯坦探針”衛星可以對目前知之甚少的軟X 射線波段進行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監測。

以“愛因斯坦”命名，蘊含著怎樣的使命和希冀

“愛因斯坦探針”衛星共搭載了寬視場X 射線望遠鏡（WXT）和后隨X射線望遠鏡（FXT）兩臺有效載荷，在進行大視場探測的同時，能夠精準捕捉到宇宙中遙遠暗弱的高能暫現源和轉瞬即逝的未知現象，并發布預警，引導天地基其他天文設備進行后隨觀測。

據了解，中國科學院國家天文臺X射線成像實驗室自2010年起開始研發“龍蝦眼”X射線成像技術，經過多年的關鍵技術攻關，終于全面掌握了該項技術，并具有完全自主知識產權。 “愛因斯坦探針”衛星的主要科學目標之一，是發現宇宙中的X射線暫現天體，監測已知天體的活動性，探究這些現象的性質及相關物理機制。“愛因斯坦探針”衛星首席科學家、中國科學院國家天文臺研究員袁為民表示，天體輻射的變化主要表現為兩類：一類是暫現和爆發源，在時間和空間上都不可預測，比如超新星激波暴、高紅移伽馬暴、特殊伽馬暴和X射線閃、磁星、中子星雙星、白矮星（激變變星）等；另一類是天體的持續輻射的變化，比如各類的活動星系核/大質量黑洞、黑洞和中子星X射線雙星、激變變星（恒星級質量黑洞、其他致密天體）、極亮X射線源等。

袁為民說，“愛因斯坦探針”衛星的大視場可以對暫現和爆發天體開展較高采樣頻率的監測，可以獲得大樣本天體從秒到月的時標量級的X 射線流強的變化（光變曲線）。對亮X射線源，還可以獲得其軟X 射線能譜及隨時間的長期變化，增進對天體X 射線輻射變化的規律和輻射機制的認識。這些結果可以測量天體的物理參數，發現新的時變現象和規律，進一步認識天體的本質、物理過程和演化。

由此可見，作為我國首顆大視場X 射線天文衛星，“愛因斯坦探針”衛星可以用于捕捉愛因斯坦預言的黑洞及引力波電磁對應體等天文現象。這或許是其以“愛因斯坦”命名的原因，也是其國際領先的探測能力所承載的使命和希冀。

宇宙天體爆發的“捕手”，探X 射線、測黑洞、尋引力波

“愛因斯坦探針”衛星首席科學家助理、中國科學院國家天文臺研究員張臣表示，發現和探索宇宙中沉寂的黑洞的耀發，測繪黑洞的分布，進一步理解其起源、演化和物質吸積過程，是“愛因斯坦探針”衛星的另一大科學目標。

作為宇宙中最神秘的天體，黑洞的探測和研究一直是天文學中的重點，也是大眾最感興趣的方向之一。根據質量的不同，黑洞可以分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和大質量黑洞。這些黑洞本身不會發光，但是可以通過吸積周圍物質釋放引力能而產生電磁輻射，觀測上主要表現為活動星系核和黑洞X 射線雙星。目前，“星系中心存在大質量甚至超大質量黑洞”這一觀點已被普遍接受，然而只有約10% 的星系處于活動狀態，剩余的約90% 處于寧靜的非活動狀態，而潮汐瓦解事件（TDE）為研究其中的沉寂黑洞提供了獨有的探針。

這些隱身的黑洞只有在爆發時才能被大視場或快速巡天的望遠鏡發現，“愛因斯坦探針”衛星兼具大視場和高靈敏度，是發現這些沉寂黑洞的利器，將從量級上擴大已有樣本，為測繪黑洞分布以及進一步理解其起源、演化和物質吸積過程提供條件。

“愛因斯坦探針”衛星還有一項任務是探尋來自引力波源的X 射線信號，以增進對極端致密天體及其并合過程的認知。“愛因斯坦探針”衛星科學應用系統總師、中國科學院國家天文臺研究員劉元介紹說，該衛星將利用其大視場、高靈敏度、快速響應的性能優勢，開展引力波源的X 射線對應體的搜尋、后隨觀測和研究。

此外，“愛因斯坦探針”衛星有望探測到理論預言的作為雙中子星并合產物的磁星驅動的X 射線暫現源，這將對證實雙中子星并合的產物及中子星物態方程起到重要的限制作用，為研究雙中子星的質量分布、并合形成的新天體及其演化規律、并合拋射物的性質等天體物理問題提供重要的觀測依據。

文章來源：《浙江日報》

（責任編輯：吳宇）