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【新京报】天文卫星“慧眼”如何解密黑洞?专家解答
2020-07-21|文章来源:记者 张璐 编辑 刘梦婕 |【
 

  新京报快讯(记者 张璐)近日,基于我国自主研制的首颗X射线天文卫星“慧眼”集中发布了研究成果。“慧眼”就像它的名字一样,具有宽波段、高时间分辨率和硬X射线波段探测面积大等优势,可以对黑洞、中子星等高能天体进行定点观测。

  天文卫星分为哪几类?慧眼卫星如何探索宇宙的奥秘?获得了哪些发现?对此,新京报记者对慧眼卫星科学应用系统副总师、中科院高能物理所研究员张澍进行采访。

  捕捉电磁波了解宇宙演化 

  新京报:发射天文卫星的目的是什么?

  张澍:我们都来自浩瀚的宇宙,组成我们身体的元素也都经历和见证过宇宙演化进程中的各种瑰丽图景:从流浪的星际尘埃,到聚集的星云,再到恒星的形成及其爆发消亡,其中,最为惊心动魄的是发生在黑洞和中子星等致密星体附近的吸积爆发和演化过程。

  这些过程现在仍旧周而复始地发生着,宇宙演化过程的信息通过产生的电磁波向外传递。通过捕捉和研究这些电磁波(或者说是光子),我们有机会回看我们身体元素曾经经历的奇妙旅程,借此不仅可以了解我们的过去,而且可能预测我们的未来。

  来自宇宙的辐射覆盖了从射电到伽马射线的整个电磁波频段,遗憾的是,地球大气在保护我们的同时,也把除射电和可见光外的其他电磁波吸收掉了。导致的结果是,要在红外、紫外、X射线和伽马射线波段进行天文观测,就必须到大气层之外,而发射天文卫星是最有效的手段。

  新京报:天文卫星分几类?

  张澍:不仅仅是在被大气吸收的波段进行天文观测要到太空去,即使在光学波段,由于没有地球大气的影响,在太空进行观测也可以得到更好的成像质量。相对应的,天文卫星一般根据其观测的波段进行分类,包括红外天文卫星、光学天文卫星、紫外天文卫星、X射线天文卫星、伽马射线天文卫星等。

  兼顾银河系扫描 发现新天体 

  新京报:慧眼卫星属于哪类天文卫星?

  张澍:慧眼卫星属于X射线天文卫星。由于黑洞和中子星等致密星体附近吸积爆发等过程以辐射X射线为主,要了解它们的活动和演化,人们需要建造X射线天文卫星,到大气层外捕捉软X射线和硬X射线光子。

  从上个世纪70年代的第一个X射线天文卫星UHURU开始,软X射线天文卫星逐步向大面积聚焦成像或者准成像演化,例如去年欧洲发射的eROSITA,以及我国正在研制中的eXTP(增强型X射线时变与偏振空间天文台),它们通过快速捕捉海量的光子,充分发掘来自目标天体的多维信息。

  新京报:慧眼卫星有何特点?

  张澍:慧眼卫星是准直型X射线望远镜。相比国外已经发射的X射线卫星,“慧眼”覆盖从软X射线到硬X射线的“更宽”的能量范围,可以通过分析天体辐射的时变(天体辐射强度随时间的变化)和能谱,得到详细的物理信息。同时,“慧眼”具有在硬X射线能区最大的观测面积,可以获得更多的光子。

  “慧眼”准直型设计方案还可以规避成像望远镜的光子堆积问题,可以观测更亮的爆发源。它的适中的视场设计使得在做定点观测之外,还可以兼顾银河系的扫描观测,用于监测和发现新的天体。

  运行3年已监测1499个天体活动 

  新京报:慧眼卫星的任务是什么?如何实现?

  张澍:“慧眼”的主要使命是在宽能区观测和研究发生在致密天体附近的极端物理过程。

  “慧眼”的观测模式分为定点观测、扫描观测以及伽马暴观测。

  定点观测主要研究中子星和黑洞X射线双星,孤立的中子星和磁星等致密天体的时变和能谱特性;扫描观测用于对银河系的银道面巡视,监测X射线源的活动并发现以往其他卫星没有发现过的天体;伽马射线暴观测模式用于研究伽马射线暴和引力波电磁对应体等。

  新京报:慧眼卫星运行3年以来,获得了多少数据?

  张澍:自2017年6月15日在酒泉卫星发射中心成功发射以来,“慧眼”一直在轨稳定运行,所有科学仪器正常工作,已经开展了1700余次扫描观测,监测了1499个天体的活动,开展了2100余次定点观测,详细观测并研究了106个目标天体,通过伽马暴模式探测和研究了约250个伽马暴事例。

  “慧眼”到目前为止已经积累了210TB的各种观测数据,发表了慧眼专辑,以及专辑以外的20多篇科学论文。

  慧眼有了“检验通行证” 

  新京报:此次发布的科学成果分为几类?有何意义?

  张澍:此次在《高能天体物理学期刊》发表的系列成果中,有相当一部分是卫星在轨性能、本底模型和响应函数的研究。

  其中,本底模型和在轨标定两项成果,是保证慧眼项目得到可靠科学产出的基础性工作,这些工作相当于是给“慧眼卫星同其他卫星观测进行协作交流以及结果比较”等发放了“检验通行证”,是此次发布的最为重要的结果。

  在目标天体的观测研究方面,专辑收录了一部分研究成果。“慧眼”的特点是在高能区观测面积较大,这就意味着在硬X射线波段,我们会得到一批以往卫星得不到的结果。

  举例来说,天蝎座X-1是人类发现的首个宇宙X射线源,人们在其中观测到不同类型的准周期振荡(QPO)。本次发布的成果中,“慧眼”首次在高于20千电子伏特的能区探测到来自天蝎座X-1的千赫兹QPO,表明它们起源于非热物理过程。观测结果对既有模型提出了严峻挑战。

  新京报:慧眼卫星的工作寿命有多长?未来科研人员还希望借助它获得哪些发现?

  张澍:慧眼卫星的设计寿命是4年,按照目前“慧眼”的运行情况来看,很可能会超期服役。

  基于“慧眼”的设计优势,未来“慧眼”可能在X射线双星爆发有关高能硬X射线辐射方面,在中子星和黑洞特性研究方面,在剧烈爆发事件(例如伽马射线暴)等方面给出突破性的观测和研究结果。

  新京报记者 张璐

  编辑 刘梦婕 校对 刘军


 
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