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中国睁开眼睛看惊心动魄的宇宙
发布时间:2021-08-28 14:03:18来源:
中国睁开眼睛看到了惊心动魄的宇宙
6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“贵燕”从酒泉卫星发射中心发射升空,届时将揭示宇宙中惊心动魄的画面:黑洞吞噬撕裂的恒星,脉冲星疯狂旋转,宇宙深处剧烈爆炸.
据国防科技局介绍,这颗名为硬X射线调制望远镜的卫星是由长征四号乙运载火箭送入550公里近地圆形轨道的。它将在银河系巡视X射线源,详细研究黑洞和脉冲星,监测伽马射线爆发,探索脉冲星用于航天器导航。
它被命名为“护目镜”,意思是中国在太空中有“独特的眼睛”,可以通过星际物质的屏蔽“看到”宇宙中的X射线。也是为了纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何。
科学家们希望解决剧烈天文过程中的各种谜团,如黑洞演化、中子星强磁场等,研究极端重力下的广义相对论、极端密度下中子星的物质状态、极端磁场下的物理规律等基础科学问题。这些都是现代物理学可能取得突破的重要方向。
空间科学的武器
“贵燕”重约2.5吨,载重981公斤。它实际上是一个小型空间天文台,同时安装了高、中、低能三套X射线望远镜。
据中国科学院高能物理研究所研究员、卫星有效载荷总设计师鲁方军介绍,这颗卫星首次实现了1-250千电子伏的全覆盖,有利于从不同能级观测和研究X射线天体的辐射机制。
“鬼眼”的探测面积非常大,尤其是高能望远镜的探测面积超过5000平方厘米,是世界上同能量面积探测器中最大的。“面积越大,探测到的信号就越多,就越有可能发现其他望远镜看不到的现象。”参与卫星研制的科学家熊少林说。
“鬼眼”的视场也很大,对银道面的扫描两天左右就能完成,有利于监测临时源。“对于一个已知的源头,当然有可能有新的发现,但是对于一个新的源头,新发现的概率肯定会更大。”熊少林说。
“贵燕”是基于我国科学家李体北、吴梅提出的直接解调成像方法研制的准直望远镜,因此也具有观测亮源的优势。
据低能望远镜总设计师陈勇介绍,X射线能量越低,光子越多。“在低能段观察光源时,聚焦望远镜会将所有X射线光子聚集到一个点,导致曝光过度,只能看到一片白色;而且我们的望远镜可以分散光子,看光源有多亮,它也不会晃。”
特别值得一提的是,在“贵研”首席科学家张双南的建议下,只要适当调整探测器的工作高压,原本用于屏蔽高能望远镜主探测器中背景X射线光子的碘化铯晶体就可以用来观测伽马射线暴。这一创新思路进一步将“贵岩”的观测能区推向3MeV。
来自中国航天科技集团五院的卫星副总设计师倪表示,根据卫星的科学目标,研制方为其制定了多种工作模式,如天空测量观测、哮天观测、定点观测等。
研究人员还为中低能量探测器设计了一个“阳伞”。“高能探测器的温度应该在18摄氏度左右,而中低能探测器的温度可能低至-80摄氏度或-40摄氏度。这就像穿着同样的衣服,却不得不在南极和赤道生存。“阳伞”是为了实现低温工作环境。”卫星热控副总设计师周禹鹏说。
活着捕捉黑洞和脉冲星
因为视野开阔,所以它最重要的使命就是勘测银河系。"我们期望发现一些新的黑洞和中子星."张双南说。
他说,虽然其他国家发射的类似卫星也进行过巡天观测,但绝大多数X射线源都是可变源,会时有剧烈发生,不是一两次巡天就能发现的。因此,“护目镜”会反复进行巡天扫描,及时探测银河系内的天体源的辐射亮度。
“天空中有这么多黑洞和中子星,但它们都还没有被完全了解,所以会有卫星来观察它们。”张双南说。
神秘的黑洞也隐藏着许多秘密。“黑洞可以产生X射线等各种辐射,也可能产生高能宇宙射线和强喷流。他们到底在干什么?目前人类的黑洞样本只有二三十个。发现更多当然好。我们也希望更清楚地研究已发现的黑洞。发现黑洞只是开始。”张双南说。
根据他的说法,黑洞有时“平静”,有时“暴躁”。当它“发脾气”时,产生的X射线电流强度极高。国外的卫星适合看“安静”的黑洞,而“护目镜”特别适合看“暴力”的黑洞和中子星。
“我们仍然不知道为什么一些黑洞会‘生气’,所以我们希望对银河系中的黑洞和中子星进行更详细的调查。”张双南说。
此外,“护目镜”应该“脉动”宇宙中奇怪的中子星(脉冲星)。“我们仍然不知道中子星内部是什么。它们拥有超强的引力场、电磁场和核密度,堪称极端物理的天然实验室。通过研究中子星的X射线,我们可以测量其表面的磁场强度,研究物质在高密度、强磁场下的性质。”张双南说。
期待意外的发现
人类已经多次探测到引力波,但科学家们渴望找到引力波对应的电磁波信号,这也是“Goggles”的重要使命。
熊少林表示,目前引力波事件的定位精度还很差。如果同时或近时在同一位置发现电磁信号,对引力波信号和电磁信号的联合分析将获得更多关于爆炸天体的信息。一些科学家怀疑伽马射线爆发可能是引力波事件的电磁对应物。
张双南说:“已经发现的引力波没有一个找到了它们的电磁对应物。如果只在一个波段观察,信息往往是不完整的,所以我们非常希望看到在产生引力波的时候,也有X射线、伽马射线或者其他波段的信号。这些
熟识的电磁波信号能帮助我们更好地认识引力波。”他认为,寻找引力波电磁对应体极为重要。“慧眼”有200keV至3MeV能区面积最大的伽马暴探测器,是目前国际上最好设备的10倍,预计一年可观测到近200个伽马暴,在今后引力波电磁对应体的搜寻中有可能取得一锤定音的效果。
“如果能发现引力波的电磁对应体,这将成为‘慧眼’最精彩的科学成果。”张双南说。
“我们的望远镜会发现很多我们以前不知道的现象,甚至是全新的天体,我们对此非常期待。但它最终有什么样的发现,现在谁也不知道,天文研究中最有趣的发现都是意外的。”张双南说。
推动中国空间科学发展
这枚来之不易的太空望远镜凝聚了几代科学家的智慧与心血,将带动中国天文学研究整体发展,实现空间科学重大突破。
中科院院士顾逸东认为,中国空间科学与国际先进水平相比还有较大差距,应争取经过15至20年的努力,使中国空间科学进入世界先进行列。
欧空局科学理事会科学支持办公室主任阿温德·帕马说,“慧眼”要通过X射线研究黑洞、中子星等,这些是全世界科学家都感兴趣的题目。“慧眼”升空后,将有很多机会与欧空局的几颗卫星开展联合观测,这比一颗卫星单独观测对科学研究更有好处。
“我对中国发展空间科学印象深刻,近两年发射的暗物质粒子探测卫星、量子卫星以及未来的发射计划都显示出中国有能力并致力于发展科学。”帕马说。
意大利航天局资深科学家保罗·焦米说,中国未来的空间科学卫星将更为复杂,更具有竞争力,这些卫星与地面科学设施必定使中国成为空间科学知识的重要生产者。
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