星際“神探”捕捉“宇宙煙火”

2024年1月9日，一顆名為愛因斯坦探針（Einstein Probe，簡稱EP）的科學衛星從我國西昌衛星發射中心由長征二號丙運載火箭發射升空。

作為一顆面向高能天體物理、時域天文學的X射線科學探測衛星，它有哪些相關科學背景？它的科學目標是什么？優勢特點在哪里？現在運行情況如何？本文將一一為你揭秘。

宇宙中的神秘線索

生活在地球上，你可能對地球大氣習以為常。實際上，地球大氣一直在吸收高能電磁輻射來保護我們和地球上的其他生物。直到20世紀60年代，人造衛星被送上太空，人類對宇宙天體的研究才從地面可觀測到的可見光、射電波段擴展到X射線波段。此后，天文學進入到多波段時代。

X 射線肉眼根本看不見，通常溫度很高的物體會輻射 X 射線，例如太陽的外層大氣被稱為日冕，它的溫度超過一百萬攝氏度，會發出大量的 X 射線。1949年，人類探測到的第一個X射線信號就來自日冕。除了極高溫度，天體的X射線輻射還產生于極強的引力場、磁場等極端物理條件的區域和過程，比如雙中子星合并、超新星爆發等。

許多宇宙天體在X射線波段閃閃發亮，X射線已成為人類認知宇宙不可或缺的重要“信使”。研究X射線，可以幫助我們了解其產生的機制、過程和環境。

攜帶天體信息，被稱為天體“信使”的除了電磁輻射，還有引力波、中微子和宇宙線。進入21世紀，科學家已不再滿足于描繪宇宙的多波段全景圖像，天文學的重點轉向構成這些宇宙圖像的天體是如何隨時間變化，即時域天文學。它與成像和光譜觀測，共同成為人類認知宇宙的三大基本電磁波觀測方法。2017年，以GW170817引力波事件為標志，時域天文學邁入了多信使的黃金時代。

知識鏈接

GW170817引力波事件

美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）聯合意大利室女座天文臺（Virgo）首先觀測到引力波信號GW170817。此后，全球約70個空間及地面望遠鏡從γ射線、X射線、紫外、紅外、射電等多個波段開展了后續觀測，最終證實該引力波是由兩個中子星并合產生的。雙中子星并合不僅能產生引力波，還能產生電磁波（含X射線等），即引力波電磁對應體。

引力波——“時空的漣漪”

根據愛因斯坦廣義相對論：時間與空間構成一個整體，即時空；物質使時空彎曲，在一些現象中（如中子星并合），致密星（大質量天體）周圍的質量分布發生變化，使時空扭曲，以光速向外傳播的動態過程，產生類似水面泛起的“漣漪”，即引力波。

愛因斯坦探針“絕技”傍身

由中國科學家主導研制的愛因斯坦探針升入太空，主要有下面這些科學目標：

·發現宇宙中的X射線暫現和爆發天體，監測已知天體。

·發現和探索宇宙中沉寂黑洞的耀發，測繪黑洞的分布，理解其起源、演化及物質吸積過程。

·搜尋來自引力波源的X射線信號，以增進對極端致密天體及其并合過程的認知。

知識鏈接

為什么叫“愛因斯坦探針”？

這與其中兩個科學目標聚焦于愛因斯坦廣義相對論的預言（黑洞和引力波）有關。黑洞雖然不發光（無法直接探測），但當物質被拉入黑洞，在黑洞周圍釋放能量的劇烈過程會發出 X射線在內的各種光，因此可以被間接探測。而引力波電磁對應體信號（如X射線）則包含了許多引力波所沒有的信息，如精確的空間位置、電磁輻射能量、光譜、光變等，也將有助于人們深入了解大質量天體的特性。

作為探針，愛因斯坦探針的探測目標是X射線暫現天體。暫現和劇烈爆發天體是宇宙中壯觀而又神秘的“煙火”。暫現源的類型很多，如黑洞X射線雙星、活動星系核、超新星、伽馬射線暴、引力波源等。它們在時間和空間上不可預測，且轉瞬即逝。

要在浩瀚的宇宙中快速精準地捕捉這些絢麗“煙火”，并展開深入研究，需要觀測設備既能“看得廣”又能“看得細”。愛因斯坦探針的兩個科學載荷：寬視場X射線望遠鏡（WXT）和后隨X射線望遠鏡（FXT）擁有的“絕技”，就很好地實現了“廣”與“細”的配合。

絕技1：拓寬視界看得廣

WXT之所以能實現高靈敏度、大視場的巡天監測，離不開它所采用的龍蝦眼光學X射線聚焦成像技術。

X射線很難像可見光一樣通過透鏡折射或者反射聚焦，很容易穿透材料（硬X射線）或者被材料吸收（軟X射線）。如果向水里扔一個石子，扔的角度太大會沉入水底，但如果以一個很小的近乎平行于水面的角度把石子撇出去，則可以在水面彈跳起來。軟X射線就具有類似這樣的小角度入射（約1°）的反射性質。利用掠入射這一特性，加之從龍蝦眼睛的微結構中汲取到的靈感，1979年科學家就設計出了用于寬視場X射線聚焦成像的龍蝦眼光學。但直到近些年，隨著微孔光學鏡片工藝水平的提升，這一技術的應用才逐步得以實現。

完全由我國科學技術人員自主研發的WXT，是國際上龍蝦眼光學聚焦成像技術的首次大規模應用。WXT的探測靈敏度比現有在軌類似設備高一個多數量級，12個模塊的組合配置使得視場進一步拓寬，可達到全天的1/12（約為地球看月亮那么大的天區的1萬倍）。

絕技2：高分辨率看得細

FXT的主要功能是對WXT發現的暫現和爆發源進行快速后隨定點觀測，精確定位，同時測量X射線的光變和能譜。

FXT采用較為通用的Wolter-I型X射線望遠鏡設計，具有高空間分辨率，可以分辨出距離很近的兩個源。歐洲航天局（ESA）和德國馬普地外物理研究所（MPE）都參與了FXT的研制。其雙筒望遠鏡的構型方案不但提升了有效面積，還可以互為冗余，相互認證，從而進一步提高望遠鏡的可靠性和科學產出。

絕技3：快速通訊

愛因斯坦探針的另一大特點和優勢，是它具備快速的通訊（下傳和上注）能力，可實現星地速聯，觸發暫現源警報，引導其他望遠鏡多波段、多信使的后隨觀測。

太空“捕捉”卓有成效

目前，愛因斯坦探針已經完成了各項在軌測試，性能均實現設計目標，按照計劃正在開展兩個望遠鏡的定標觀測。截至本文發稿時，已探測到新的暫現源39例、恒星耀發316例，發布引導國際多波段望遠鏡后隨觀測的電報31條。初步結果顯示，探測到的新暫現源具有豐富的起源類型。

未來，在完成在軌測試后，愛因斯坦探針將轉入科學運行階段，同時開展國內外各大望遠鏡間的聯合觀測，希望能獲得一批重要的天文發現，填補國際上聚焦型大視場觀測設備在時域天文學多波段中軟X射線波段的空白，快速提升我國在國際天體物理領域的水平。

作者單位 國家天文臺EP項目組