中国科学家打造观测宇宙的“龙虾眼”

  新华社北京9月28日电(记者喻菲、杨春雪)大自然让龙虾进化出奇异的眼睛,继而又启发科学家设计出特殊的望远镜,让人类能够观测宇宙中出没无常、转瞬即逝的神秘现象。

  中科院国家天文台近日介绍,中国科学家研制的一台龙虾眼X射线望远镜已成功获得一批天体的X射线实测图像和能谱。这是国际上首次获得并公开发布的宽视场X射线聚焦成像天图。

  负责这一项目的国家天文台凌志兴博士介绍,该仪器搭载在中科院微小卫星创新研究院抓总研制的空间新技术试验卫星上,于7月27日发射升空,是为计划于2023年底发射的爱因斯坦探针卫星开展多项在轨实验和测试的“探路者”。

  专家介绍,宇宙中的天体在X射线波段大多呈现复杂的亮度变化,时隐时现。一些原本没有X射线辐射的天体,会突然产生X射线辐射,例如正在吞噬恒星的黑洞。

  凌志兴说,X射线光子能量非常高,穿透性极强,很难像可见光一样通过折射聚焦,需要一些特殊的手段,例如模仿打水漂的方式让X射线聚焦。“这就如同向水里扔一块石头,石头太重会沉入水底,但如果以一个很小的角度把石头丢出去,石头可以在水面弹跳起来。”

  生物学家很早就发现,龙虾的眼睛和其他动物不一样,由许许多多方孔形状的微型管道构成,管道壁光滑且指向同一球心,这样的结构使得各个方向的光线在小方孔内反射汇聚到视网膜上。1979年,美国科学家从中获得灵感,提出模拟龙虾眼制造望远镜,让X射线通过反射聚焦成像。

  但这一设想提出后,在很长时间内都未能得以实现,直到微加工工艺提高后,科学家才逐渐研制出微孔龙虾眼镜片,上面布满只有发丝般粗细的小方孔。

  国家天文台X射线年起开始研发龙虾眼X射线成像技术,经过多年努力终于获得突破。

  凌志兴说,龙虾眼望远镜的最大好处就是可以实现大视场的X射线观测,能高效监测天体的X射线变化,发现随机发生的宇宙极端事件的可能性更大。

  “之前用其他方法制造的X射线聚焦望远镜的视场(即视野范围)大概是地球上看月亮那么大的天区,而我们现在这个龙虾眼望远镜大约能够覆盖1000个月亮那么大的天区,未来的爱因斯坦探针卫星上将安装12个这样的望远镜,其视场可达到约1万个月亮那么大。”凌志兴说。

  这是龙虾眼X射线望远镜获得的银河系中心天区图像(2022年8月摄)。新华社发(中科院国家天文台供图)

  他介绍,此次发射的望远镜上的微孔龙虾眼镜片以及CMOS(一种图像感光元件)探测器均为中国自主研发。

  “我们在国际上首次提出将CMOS探测器应用于空间X射线天文观测并首次获得成功实施。这是X射线天文探测技术上的一项重要创新。”凌志兴说。

  该领域著名专家、英国莱斯特大学保罗·布赖恩教授表示,这项技术将对宇宙X射线监测带来变革性推动,也显示了爱因斯坦探针巨大的科学潜力。

  爱因斯坦探针首席科学家助理张臣博士说:“我们经过十多年艰辛努力终于成功获得龙虾眼望远镜的观测成果,能够为世界天文学研究贡献先进的设备,我们都感到非常自豪。”

  他说,爱因斯坦探针将对宇宙中的高能暂现天体开展系统性巡天监测;有望发现隐身的沉寂黑洞,并测绘宇宙黑洞的分布,研究其形成演化和物质吸积过程;搜寻来自引力波事件的X射线信号并精确定位;还将观测中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽马暴等天体和现象。

  据介绍,爱因斯坦探针计划已吸引广泛的国际关注,欧洲空间局、德国马普地外物理研究所以及法国航天局共同参与了这一计划。

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