太空中的龍蝦眼 —愛因斯坦探針衛星

1月9日15時03分，長征二號丙運載火箭搭載着愛因斯坦探針衛星（Einstein Probe，簡稱EP），在西昌衛星發射中心成功發射升空，我國天文領域又多了一件大國重器。

這座運行在距地表600公里高空的X射線天文臺，主要用來監測宇宙中的高能暫現天體和劇變天體。這些天體往往與黑洞、引力波等愛因斯坦相對論的科學預言有關，“愛因斯坦探針”的名字也由此而來……

愛因斯坦探針衛星在國際上首次大規模運用了龍蝦眼微孔陣列聚焦成像技術。圖爲愛因斯坦探針衛星示意圖 （來源 / 中國科學院微小衛星創新研究院）

變幻的宇宙

宇宙如同一個充滿活力與變化的舞臺，每一刻都在上演着新的劇情。

除了星系併合、宇宙膨脹等長達數十億年的漫長演化，宇宙中還充斥着大量的暫現天體和劇變天體，例如超新星爆發、雙中子星併合、黑洞潮汐瓦解恆星等。它們的亮度能夠在年、天甚至秒的時間尺度上，發生數個量級的大幅變化。

此外，不同於我們常見的太陽和羣星，很多劇變天體發出的“光”主要是X射線和γ射線。這兩種射線與可見光本質相同，都是電磁波。不同顏色的光具有不同的頻率，只是X射線和γ射線的頻率和光子能量都更高。

X射線波段的奇特景象

如果我們從X射線波段觀察宇宙，就會發現看到的景象與從可見光波段看到的非常不同。

儘管地球受到來自衆多天體的X射線照射，但是它們基本都因與大氣相互作用而被吸收，無法在地表被檢測到。所以，若想從X射線波段觀察宇宙，我們就必須把X射線望遠鏡發射到太空去。

看得廣和看得遠的矛盾

看得廣

大部分暫現源（那些在天空中突然出現，然後又很快消失的天體或天文現象）距離我們非常遙遠，在爆發前完全不可見。這使得我們無法預知它們出現的時間和方位。因此，我們需要視野非常寬廣（大視場）的望遠鏡才能及時捕獲到這些壯麗的宇宙焰火。

爲此，人們在以往的大視場X射線望遠鏡中採用了非聚集直線光學技術，簡單來說是開孔擋光，即在探測器上邊放一個帶有非常多狹縫的厚金屬板，光只能從縫裡過去，但卻難以看到更暗的天體，難以獲得觀測目標更準確的位置。

看得遠

要想看到更遙遠的暗淡X射線天體，需要聚焦成像。

可見光的聚焦成像能通過折射和反射輕鬆實現。但X射線光子能量極高，高到足以與分子、原子發生相互作用，因此它們在大多數情況下不會被簡單地折射或反射。

X射線只能通過掠入射聚焦成像。由於掠入射角度極小，對於來自某個遙遠天體輻射的平行光，僅有極小的一部分會入射在某一層反射面上並聚焦成像，導致光子收集效率低下。爲了看到更遠更闇弱的天體，人們需要在X 射線聚焦成像系統中嵌套多達幾十個到上百個的平行的反射面來提升光子收集有效面積，而且這些反射面必須光滑得僅有原子大小起伏。這使得望遠鏡體積龐大，成本高昂。更麻煩的是，掠射使得現今廣泛使用的X射線聚焦成像系統——Wolter I型光學系統的視場非常狹小。如何兼得“看得廣”和“看得遠”，成爲困擾X 射線天文發展的瓶頸。

來自龍蝦的啓示

龍蝦擁有一雙由衆多方形微孔組成的球狀複眼。這些微孔的軸線都指向球心，這使得入射光在孔壁反射後能聚焦到視網膜上。

1979年，美國天文學家羅傑·安吉爾（J. Roger P. Angel）受龍蝦眼睛啓發，提出“龍蝦眼X射線望遠鏡”——由於任何方向的入射光總能找到滿足聚焦成像條件的一些微孔，因而龍蝦眼望遠鏡有潛力將視場拓展到整個全天。但受技術限制，這在當時僅僅是一個設想。

（圖源 中國科學院國家天文臺）

大視場聚焦成像的先行者

得益於微加工技術的進步，如今人們能夠在金屬玻璃片表面製作上百萬個非常光滑的微小方孔，從而大批量生產輕巧而精密的微孔光學器件，這讓製造龍蝦眼X射線望遠鏡成爲可能。

中國科學院國家天文臺的科學家們，自2010年開始着手研發微孔龍蝦眼技術。在短短數年的時間裡，他們將一個原理性的概念變成一套實實在在的設備，最終不僅讓儀器性能國際領先，也先於同行一步將望遠鏡送入浩瀚星海。

太空中綻放的蓮花

愛因斯坦探針衛星的形狀像一朵綻放的蓮花——“花瓣”是由12個獨立模塊組成的寬視場X射線望遠鏡（Wide-field X-ray Telescope，簡稱WXT），而一對“花蕊”是能夠看得更清晰的後隨X射線望遠鏡（Follow-up X-ray Telescope，簡稱FXT）。

“花瓣”

——寬視場X射線望遠鏡

寬視場X射線望遠鏡主要用於監測來去匆匆的暫現源。它的每一個模塊都由36個龍蝦眼微孔光學器件拼接而成。12個模塊指向不同的方向，提供了高達3600平方度（用於測量天體在天空中所佔面積的單位）的視場，覆蓋接近1/10的天球，僅需約5個小時就能完成對夜天區的完整觀測。

同時，寬視場X射線望遠鏡還使用了48個互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器，蒐集“龍蝦眼”聚焦來的光子，並將其轉化爲電信號。這也是國際上在天文領域首次使用CMOS探測器，它大幅降低了望遠鏡的複雜度和成本，並且具有超快的讀取速度。

圖爲愛因斯坦探針衛星在銀心方向的探測圖像。紫色和藍色分別是寬視場 X 射線望遠鏡探測到的 X 射線天體以及熱氣體；寬視場 X 射線望遠鏡的視場範圍以白色框出；背景圖是銀河系在光學波段的圖像 （來源 /中國科學院、歐洲南方天文臺數字化巡天項目）

“花蕊”

——後隨X射線望遠鏡

天文學是觀測驅動的科學。每一次觀測能力的提升，都會產生新的天文發現和突破性進展。

爲了更好地研究被寬視場X射線望遠鏡發現的劇變天體，科學家研製了後隨X射線望遠鏡。

爲了能在暫現天體出現的第一時間獲得高質量的觀測數據，愛因斯坦探針衛星研發團隊設置了獨特的觀測策略：當寬視場X射線望遠鏡發現新的暫現天體時，衛星會立即自動轉向新天體的方向，用後隨X射線望遠鏡對它進行高精度的觀測。

後隨 X 射線望遠鏡 （來源 / 中國科學院高能物理研究所）

憑藉着大視場和高靈敏度的優勢，愛因斯坦探針衛星在短短半年多的時間就探測到了數十例伽馬射線暴、400 餘顆恆星的耀發以及衆多起源未知的闇弱 X 射線源。

在未來，隨着愛因斯坦探針衛星海量觀測數據的積累，我們將有望找到遲遲不肯現身的中等質量黑洞，搜尋引力波事件所伴隨的電磁信號；瞭解超大質量黑洞的形成、引力波事件的起源、超新星的前身星等大科學問題，一睹宇宙奧秘的真容。

中國科學院國家天文臺愛因斯坦探針項目組各位成員對本文亦有貢獻

撰稿| 劉明君

責任編輯 | 高琳 張麗涵

運營編輯 | 張麗涵

質量審覈 | 業蕾

❖ 來源：《知識就是力量》雜誌

《太空中的龍蝦眼 —愛因斯坦探針衛星》❖

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