星际侦探上岗！中国“爱因斯坦探针”专破宇宙高能谜案

太空中又多了一副探测宇宙奥秘的慧眼。这回不是一只，也不是一双，而是“龙虾眼”。它的任务是看遍宇宙中的软X射线闪耀。

爱因斯坦探针卫星 |中国科学院微小卫星创新研究院

2024年1月9日15:03，中国在西昌卫星发射中心通过长征二号丙运载火箭，将“爱因斯坦探针”（Einstein Probe，简写为EP）卫星送入预定轨道。

长征二号丙运载火箭搭载爱因斯坦探针卫星点火升空 | 新华社（凌斯琴摄）

爱因斯坦探针是中国科学院空间科学先导专项二期项目，主要有三大科学目标：

发现宇宙中X射线暂现和爆发天体；发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发；探寻来自引力波源的X射线信号。

它是专门面向时域天文学的X射线天文探测卫星，拥有监测视场大、响应速度快、灵敏度高、空间分辨率高等特点。

名词解释

时域天文学是一门研究天体在时间上的变化和演化的天文学分支。它涉及到一些极端和神秘的天文现象，如超新星、伽马射线暴、黑洞并合、引力波等。时域天文学可以帮助我们理解宇宙中的物理过程，探索黑洞、中子星、恒星等天体的本质和起源。

卫星由中国科学院微小卫星创新研究院抓总研制，欧洲航天局（ESA）、马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）、法国航天局（CNES）也参与其中。

为什么叫“爱因斯坦探针”？

明明是观测X射线的，为什么叫“爱因斯坦探针”卫星？它和爱因斯坦有什么关系？

X射线是一种高能电磁波，在自然界中通常产生于高能物理过程。地球上极难产生，宇宙中却很多。比方说黑洞吞噬周围的物质、双中子星并合、超新星爆发等等。

不难看出，X射线往往伴随着天体“暴力事件”，或是与一些致密天体有关，通过观测和研究X射线信号，有望了解其产生的源、环境和机制。

黑洞吞噬恒星产生X射线艺术画 | Mark Garlick/Science Photo Library

而其中最难以捉摸的，便是所谓的暂现源，也就是短时间内出现然后很快消失的天体。它们通常伴随着剧烈的能量释放过程，是研究极端条件下物理过程的难得机遇。

暂现源的类型有很多，如超新星、伽马射线暴、黑洞潮汐撕裂恒星事件、快速射电暴、引力波源等。它们的爆发时间从几毫秒到几个月不等，有的是单次爆发，有的是周期性或随机性的重复爆发。

或许大家还记得2017年8月17日的一次宇宙级大碰撞。当时，引力波天文台LIGO和Virgo率先观测到一次引力波信号，随后全世界超过70个天文台站，包括多个空间望远镜都迅速投入观测，持续追踪与该事件有关的电磁波信号。

最先被观测到的是伽马暴，紧随其后的是可见光、红外线、紫外线，在第9天，X射线源被捕捉到。最终，引力波源被成功锁定，它们产生自两颗中子星的碰撞！这件事也被认为是人类天文学迈向“多信使”时代的里程碑。

两颗中子星的碰撞产生了2017年8月17日的那次引力波事件，类似的高能物理事件也是“爱因斯坦探针”关注的目标 | NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab

暂现源的探测需要利用高灵敏度、高时间分辨率、大视场的望远镜进行全天监测，捕捉它们的信号，并及时发布预警，引导其他设备进行后随观测。

“爱因斯坦探针”便是专门用于探测暂现源的望远镜。它所关注的问题包括：黑洞是如何吞噬物质的？黑洞喷流是被什么力量驱动的？什么事件可以产生引力波以及如何产生引力波？恒星发生超新星爆发时经历了哪些过程？

这些极端天体、极端事件都与爱因斯坦的广义相对论有关，所以这颗卫星以“爱因斯坦”为名也就不难理解了。

什么是“龙虾眼望远镜”？

现在常用的X射线望远镜，主要是直线光学型（准直器式）和聚焦成像型（掠射式）。

比如，中国的硬X射线望远镜（HXMT，即“慧眼”）采用的就是准直器成像系统。这种方法相对容易实现，但对目标的空间定位精度较差。

“慧眼”卫星上的高能探测模块|中国科学院高能物理研究所

NASA的钱德拉X射线望远镜采用的则是掠射式聚焦成像的方法，改变X射线光子的传播方向，使它像光学望远镜一样进行聚焦成像。改变光路的方法说到底也是反射，而不是像凸透镜那样的折射。

这就要求制作几十至上百个“套筒”一样的反射面充当X射线光子的通道，而且因为X射线波长很短，要求反射面起伏落差要控制在一个原子直径左右，加工难度可想而知。

钱德拉X射线望远镜的掠射式聚焦成像光路示意图 |

NASA, Chandra, and the Smithsonian Astrophysical Observatory

直线光学型的X射线望远镜，适用的能量范围较大，视场比较宽大，但是针对性较弱，各个方向的信号都会收集。

聚焦成像型的X射线望远镜，指向性强，成像精度相对较高，但是视场范围小（通常小于1°），观测效率低，造价昂贵。

那么，有没有办法做到两边兼顾一下，实现大视场高精度的监测呢？

毕竟宇宙中突然出现的一个X射线源（潜在的新发生的宇宙极端事件），你得先尽快探测到它，然后才谈得上对它作针对性的深入观测。

“爱因斯坦探针”采用了非常特殊的光学技术——“龙虾眼”，它独特的光学结构，恰恰能实现这一点。

不必多说，这又是仿生学的应用。

龙虾的眼睛比较特别，长在触角根部，由上千个单眼组成，靠反射而非折射来成像，因此被称为反射式复眼。

每个单眼呈空心四棱台结构，形成一个微型方形管道。管壁光滑，可以将透进来的光反射到视网膜上。数以千计的方形微型管道整整齐齐沿球形排列，凸显极强的聚光能力，将各个方向的光线汇聚到它们凸起的球形视网膜上。

这样一项对动物眼睛的研究，引起了天文学家的注意。1979年，罗杰·安吉尔（Roger Angel）提出“龙虾眼X射线望远镜”，可以实现理论上视场不受限制的X射线聚焦成像望远镜。

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龙虾眼结构聚焦成像原理示意图 |中国科学院微小卫星创新研究院

很不一般的两套望远镜

作为一台专业性极强的X射线空间望远镜，爱因斯坦探针卫星携带了两套主要的科学载荷：宽视场X射线望远镜（Wide-field X-ray Telescope，WXT）和后随X射线望远镜（Follow-up X-ray Telescope，FXT）。

前者为了看得广，后者为了看得细。

“爱因斯坦探针”卫星宽视场X射线望远镜（龙虾眼望远镜） |中国科学院微小卫星创新研究院 / 水兄

宽视场X射线望远镜使用的就是“龙虾眼”技术。总共12台基于微孔光学技术（Micro-pore Optics，MPO）的“龙虾眼望远镜”，每台可覆盖约300平方度的天区。12台拼接起来，整个WXT一次就能关注不小于3600平方度的天区，相当于全部天空的1/11。

观测视场巨大、灵敏度高、对目标成像精度优于角分，这是前所未有堪称完美的X射线瞬时观测能力。

宽视场X射线望远镜结构示意图 |中国科学院微小卫星创新研究院

爱因斯坦探针卫星将工作在距离地面600公里、倾角约29°的轨道上，背对太阳进行观测。只需要短短几个小时就能扫描整个天空。

如此效率之下，如果再出现双中子星并合、超新星爆发、黑洞“吃”恒星之类的事件，闪烁出来的X射线微光或许都能被轻松捕捉。

后随X射线望远镜结构示意图 | 中国科学院微小卫星创新研究院

后随X射线望远镜，顾名思义，就是用于后随观测的。它由另外两台望远镜构成，可在“龙虾眼”发现暂现源后的3分钟内指向这个目标，在第一时间用更为精准的方式去进行观测。

它采用的是掠射式X射线成像系统，由中科院高能物理所负责，联合中科院理化所、欧洲空间局和马普地外物理所共同研制。它的定位精度将达到角秒级，视场宽度60角分，角分辨率达到30角秒。

看得出来，FXT是真正的“望远镜”，在WXT发现“可疑目标”后，它可以马上进行锁定、放大！

全自动X射线天文台

“爱因斯坦探针”的目标是寻找宇宙中突然闪耀的X射线源。它们在哪儿，会在什么时候发生，谁也不知道。这种守株待兔的观测模式，除了需要增加视场范围，还要有敏捷的身手。

“爱因斯坦探针”拥有一套完整的自动化运行方案，帮助它成为一名优秀的猎人。

计算机模拟的相邻两日WXT巡天拼接天图和一个明亮的X射线暂现源（绿圈所示） | 中国科学院国家天文台

WXT一旦发现X射线暂现源，卫星上的星载计算机就会实时计算它的天球位置，向卫星平台发送指令进行指向机动，让FXT在3分钟内就能对准新爆发的源开展观测。

光靠自己可能还不够，有必要再招呼一些帮手。

EP卫星会在第一时间通过互联网向全球发布突发天文事件预警，引导国内外天文台站联合开展多波段，甚至是多信使后随观测。为了提高可靠性和实时性，卫星还将向地面接收站（VHF波段）发布预警信息。

此外，它还可以利用北斗卫星导航系统的短报文功能发送或接收其他项目观测到的突发天文事件。举个例子，如果LIGO发现了一个引力波事件，我们可以借助北斗短报文将相关信息上传给EP卫星，引导它迅速开展X射线的后随观测。

这种中国独树一帜的技术令“爱因斯坦探针”如虎添翼，成为一座空中自动化天文观测站。

爱因斯坦探针卫星的灵敏度处于国际领先 |中国科学院国家天文台

“爱因斯坦探针”项目受到国际上的广泛关注。包括“龙虾眼”光学系统在内的一系列创新技术应用，将对天文X射线观测领域带来巨大变革。

“爱因斯坦探针”拥有巨大的科学潜力，高能时域天文也有着广阔的舞台，我们期待它的精彩表演。

作者：水兄

编辑：Steed

封面图来源：EP团队/中国国家天文台

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