“天关”观宇宙“焰火”有奇招

雷淼

“天关”卫星在轨交付仪式暨成果发布会近日在京举行，卫星正式在轨交付给中国科学院国家天文台等科学用户使用，同时公布了首张由中国自主研制设备观测到的全天X射线天图，这标志着中国X射线时域天文领域进入新时代。

近年来，我国发射了一系列科学卫星，初步形成以“悟空”号、“墨子”号等为代表的空间科学卫星系列。其中，“天关”卫星（爱因斯坦探针卫星）是在X射线波段工作的空间观测站，于2024年1月9日发射升空，旨在发现和观测宇宙“焰火”（宇宙中的高能暂现天体），并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测。那么，“天关”卫星究竟有多重要？它能为我国空间科学发展带来什么？

“天关”卫星“龙虾眼”工作模拟图

为何要观测宇宙中的X射线

在发现宇宙中的其他X射线源之前，X射线天文学是从研究太阳起步的。X射线本质上和人眼可见的光线一样，是一种电磁波，但与可见光不同的是它能量很高，可以轻松穿过各种物质。X射线具有很高的能量，需要高能的物理过程才能产生。在宇宙中，非常热的物体就会辐射X射线。例如，日冕（太阳的外层大气）可达100万℃到300万℃，会发出大量X射线。

其实，许多宇宙天体在X射线波段都“光辉灿烂”，像太阳一样炽热的恒星时时刻刻发射着X射线。除此之外，还有一些引人注目的X射线源，包括星系团、超新星、大质量双星甚至黑洞。

其中，星系团是被引力束缚着的巨大系统，动辄包含成百上千个星系。在星系之间存在大量气体，这些星系际气体被来自星系的高能辐射电离，成为炽热的等离子体，温度高达5000万℃以上，在X射线波段相当明亮。观测它能够揭露星系团的位置，勾勒宇宙大尺度结构的轮廓。

超新星是大质量恒星的回光返照。这些恒星的最初质量超过8个太阳，当它们内部的核聚变反应停止时，便再也支撑不住自己庞大的身躯，会在引力作用下瞬间垮塌，造成猛烈的内爆。超新星爆发时会发出多种波长的光，其中就包括X射线。因此，研究宇宙中的X射线，可以了解超新星爆发背后的物理机制。

一些特殊的双星系统也会发出X射线。双星系统其中一个成员是一颗大质量恒星死后留下的遗骸，可能是中子星，也可能是黑洞。它会从身边的伙伴那里夺取气体，当气体在中子星或黑洞的强大引力场中盘旋时，会形成一个飞速运转的吸积盘，温度急剧升高，并向太空发射X射线。

还有一种X射线源是黑洞。黑洞本身不发光，但是当它吞噬离得过近的恒星时，引力会撕碎目标，并在吸积盘里将其升温，发出耀眼的X射线，极少数情况下还会导致速度接近光速的相对论性喷流。这类高能现象被称为“潮汐瓦解事件”，其迸发的X射线能够揭示平时深藏不露的黑洞，并为研究物质坠入黑洞的过程提供线索。

人类住在地面上，不用担心来自太阳的X射线，因为大气层把它们屏蔽了。然而这对科学研究十分不利，如果要研究宇宙中的X射线，就只能让观测设备“飞”出大气层，进入太空，这正是发射“天关”卫星的原因。

“天关”一词，取自公元1054年出现在天关（位于金牛座）附近的一次超新星爆发，这次爆发被我国北宋的司天监记录下来，史称“天关客星”。它留下的遗骸即赫赫有名的蟹状星云，在梅西耶天体（由18世纪法国天文学家查尔斯·梅西耶所编的《星云星团表》列出了110个天体）中位列第一。时至今日，蟹状星云的中心依旧弥漫着强烈的X射线辐射。

当地时间2024年6月3日，美国国家航空航天局公布蟹状星云新细节图。蟹状星云是中国在公元1054年记录的超新星爆发“天关客星”的遗骸。图像中心是一颗中子星，被称为蟹状星云脉冲星，其两极的辐射束导致了极区强烈的X射线辐射。

装上“龙虾眼”让卫星“眼观六路”

虽然X射线与可见光在本质上都是电磁波，但它不像可见光那样易于收集处理。常规的成像系统没法聚焦X射线，因为它的透射能力太强，直接就穿过去了。

科学家发现，如果以几乎平行的角度照射金属面，X射线会沿着金属面掠射，那么使用在特定曲面上排布的金属片，就能把X射线引导到聚焦点。这种成像方式叫作“沃尔特型”，现已在许多X射线望远镜中使用。“天关”卫星配备了两部相同的沃尔特型观测单元，每部单元又套叠了54层镀金掠射镜，拥有很高的分辨率和强大的聚光能力。

但是问题又来了，沃尔特型望远镜是用来看细节的，视线非常专注集中，只有1平方度（立体角单位，用来衡量球面上一块区域的视角大小），打个比方，差不多刚刚能装下站在100米外聊天的两个人，但凡他们挥手告别，1平方度的视野就没法让俩人同框了。这一限制对于观测已知位置的X射线源来说，固然不是问题，但宇宙中有很多突然闪现的X射线爆发事件，该如何让卫星做到“眼观六路”呢？这就要用到一种仿生的新型光学系统，其灵感来自龙虾的眼睛。它的进光口是排布在球面上的方形微孔阵列，能顺利让X射线通过微米级的金属管汇集到成像设备。

“天关”卫星配备了12个“龙虾眼”模块，视场（天文学术语，指望远镜所能看到的天空范围）非常广阔，可以覆盖3600平方度，接近整个天空的十分之一。或者换句话说，“天关”卫星绕地球飞行3圈，就几乎能看遍整个天空了。

所以，“龙虾眼”相当于摄影器材里的广角镜头，适合巡视天空。沃尔特型望远镜则相当于长焦镜头，适合远摄细节。“天关”卫星平时的工作流程大致是这样的：卫星一边绕着地球飞，一边用“龙虾眼”大视场望远镜巡视太空，当它留意到一处前所未见并值得细看的X射线源时，就会将沃尔特型望远镜盯住那个方向，展开定向精密观测。

2022年，我国发射的“龙虾眼天文成像仪”作为“天关”卫星的探路者，是这一技术首次在轨试验。因此，“天关”卫星被认为是国际上首颗X射线大视场聚焦成像卫星。

“天关”卫星成功“抓拍”首张在轨图像

观测暂现天体 探秘早期宇宙

“天关”卫星于2024年1月9日发射入轨，经过前期校准调试，自7月起开始常规科学运行。它配备的“龙虾眼”和沃尔特型两种望远镜表现出色，性能超出设计预期，获得了可喜的观测成果。

凭借宽广的视野与卓越的X射线探测能力，在测试和运行初期阶段，“天关”卫星探测到了60例确定的暂现天体（指在天空中忽然出现，持续一段时间后消失的天体）、上千例暂现天体候选体、480多例恒星耀发、上百例已知天体的爆发，还成功获取了由我国自主研制设备观测到的首张全天X射线天图。

“天关”卫星所探测到的X射线源种类丰富，涉及恒星、白矮星、中子星、各种质量类型的黑洞、伽马射线暴、超新星等，这些天体的辐射持续时间短则几十秒，长则几个月。还在测试早期的时候，“天关”卫星就在狮子座发现了一例中等质量黑洞潮汐瓦解恒星事件EP240222a，实现了我国自主天文观测设备在此领域零的突破。

在此过程中，也有表现古怪的特殊天体进入“天关”卫星的观测记录。例如，2024年4月8日发现的EP240408a，通过观测并与其他天文机构对照确认，这个暂现源从被“天关”卫星发现起，在X波段维持了4天较高的亮度，随后急剧衰减，到第10天已变得无法探测。在前20个小时里，它还闪现过一次强烈而短暂的耀发，持续12秒，比暂现期间的普通亮度高约300倍。更古怪的是这个暂现源在可见光（人类所见的“光”）及近红外（人类所感的“热”）波段都探测不到。从已知的模型中，研究团队拿出共同点较多的潮汐瓦解事件、伽马射线暴、X射线双星与蓝色快速光学暂现与之比较，无一符合。据此，科研团队认为它可能是一种全新的暂现类型，于是按照它的方位（唧筒座，属南方朱雀），以“南方朱雀客星”命名。

EP240315a是另一个意义重大的案例。2024年3月15日，这起X射线暂现事件唤醒了“天关”卫星的大视场望远镜，“天关”卫星召集国际天文界对它展开协同观测。光谱数据表明，这个暂现源的红移（电磁波长因宇宙膨胀而拉伸的增量）是4.859。这个数字意味着，当射线从一场炽烈的伽马暴中逃离母星时，那时的宇宙只有12亿岁（宇宙现已138亿岁），当它穿越广袤而不断膨胀的时空，最终到达我们这里时，距离事发现场已有256亿光年之遥。研究团队认为，“天关”卫星应有能力检测到红移达7.5（宇宙7亿岁）的同类型伽马射线暴。这一发现展示了“天关”卫星通过探测高红移伽马射线暴来研究早期宇宙的潜能，为进一步理解恒星坍缩产生黑洞及相对论性喷流的物理过程提供新视角。英国莱斯特大学教授Paul O’Brien对这项成果给予了高度评价：“这一发现为研究宇宙再电离时期的天体提供了宝贵资料。”

此外，在“天关”卫星发布的全天X射线天图中，巨大的银河系北银极支和诸多星系团清晰可辨，也是研究星系与宇宙网演化的重要线索。

天体物理学的理论模型或迎挑战

“天关”卫星是中国科学院空间科学（二期）战略性先导科技专项立项并实施的空间科学卫星系列任务之一，是国际上首颗X射线大视场聚焦成像卫星，具有国际领先的性能。它的成功发射和运行，标志着我国在空间科学领域取得重大突破。

我国科研团队历经十年研发的大视场成像设备，为中国乃至全球的天文学家提供了前所未有的及时发现X射线暂现源的能力。例如，在对EP240315a的观测中，“天关”的响应比美国的格雷尔斯雨燕天文台及风太阳探测器早了372秒——对于伽马射线暴这样旋生旋灭的事件，这372秒是至关重要的黄金观测时间。

“天关”卫星的观测数据，不仅丰富了人们对宇宙的认识，也对天体物理学的理论模型提出了挑战。像EP240408a这样的特殊天体，其独特的辐射特性可能需要科学家重新考虑现有的天体物理模型，甚至可能催生新的理论。

“天关”卫星团队不是孤军奋战，迄今已发出100多条天文警报，引导世界上其他天文机构在多个时间窗口、多个波段对暂现源进行后随观测，以了解目标天体的详尽信息。例如，对伽马射线暴EP240315a的发现和研究，在可见光和红外波段召集了地面上的7部望远镜，从北京、乌鲁木齐、西班牙加那利群岛、智利帕拉纳尔山与美国格雷厄姆山等地分别发起观测；在射电波段，有建在澳大利亚新南威尔士和英国的两座射电望远镜阵参与其中；在X射线波段，得到了美国两座空间探测器的观测数据支持。这些不仅体现了“天关”在时域天文领域的引领作用，也彰显了其国际影响力。

“天关”卫星首席科学家、中国科学院国家天文台研究员袁为民说：“‘天关’卫星早期的这些发现表明，我们之前所认识的暂现天体可能只是冰山一角。这些发现对于我们研究宇宙中的极端天体及其物理过程的多样性具有重要意义。”随着“天关”卫星的持续运行和数据积累，未来将取得更多科学成果，而通过国际合作和交流，人类探索宇宙未知领域也将获得更多收益。