为何要观测宇宙中的X射线? “天关”有何奇招?

“天关”卫星在轨交付仪式暨成果发布会近日在京举行，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？今天请中国科普作家协会会员雷淼来说一说。

（1）观测宇宙中的X射线有什么用

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。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。此外，星系团、超新星、大质量双星甚至黑洞也是引人注目的X射线源。

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。通过观测宇宙中的X射线，可以发现暂现天体，从而探秘早期宇宙。

“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。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，距离地球6500光年。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。

（2）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。

宇宙中还有很多突然闪现的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，绕地球飞行3圈，就几乎能看遍整个天空了。

“天关卫星”“龙虾眼”工作模拟图

“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。

“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。

（供图：视觉中国）