中國科學家打造觀測宇宙的“龍蝦眼”

大自然讓龍蝦進化出奇異的眼睛,繼而又啟發科學家設計出特殊的望遠鏡,讓人類能夠觀測宇宙中出沒無常、轉瞬即逝的神秘現象。中科院國家天文台近日介紹,中國科學家研製的一台龍蝦眼X射線望遠鏡已成功獲得一批天體的X射線實測圖像和能譜。這是國際上首次獲得並公開發布的寬視場X射線聚焦成像天圖。

科研人員在安裝龍蝦眼X射線望遠鏡(2021年11月22日攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)
科研人員在安裝龍蝦眼X射線望遠鏡(2021年11月22日攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)

負責這一項目的國家天文台凌志興博士介紹,該儀器搭載在中科院微小衛星創新研究院抓總研製的空間新技術試驗衛星上,於7月27日發射升空,是為計劃於2023年底發射的愛因斯坦探針衛星開展多項在軌實驗和測試的“探路者”。

專家介紹,宇宙中的天體在X射線波段大多呈現複雜的亮度變化,時隱時現。一些原本沒有X射線輻射的天體,會突然產生X射線輻射,例如正在吞噬恆星的黑洞。

凌志興說,X射線光子能量非常高,穿透性極強,很難像可見光一樣通過折射聚焦,需要一些特殊的手段,例如模仿打水漂的方式讓X射線聚焦。“這就如同向水裡扔一塊石頭,石頭太重會沉入水底,但如果以一個很小的角度把石頭丟出去,石頭可以在水面彈跳起來。”

科研人員在測試龍蝦眼X射線望遠鏡(2021年11月27日攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)
科研人員在測試龍蝦眼X射線望遠鏡(2021年11月27日攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)

生物學家很早就發現,龍蝦的眼睛和其他動物不一樣,由許許多多方孔形狀的微型管道構成,管道壁光滑且指向同一球心,這樣的結構使得各個方向的光線在小方孔內反射匯聚到視網膜上。1979年,美國科學家從中獲得靈感,提出模擬龍蝦眼製造望遠鏡,讓X射線通過反射聚焦成像。

但這一設想提出后,在很長時間內都未能得以實現,直到微加工工藝提高后,科學家才逐漸研製出微孔龍蝦眼鏡片,上面布滿只有髮絲般粗細的小方孔。

國家天文台X射線成像實驗室自2010年起開始研發龍蝦眼X射線成像技術,經過多年努力終於獲得突破。

凌志興說,龍蝦眼望遠鏡的最大好處就是可以實現大視場的X射線觀測,能高效監測天體的X射線變化,發現隨機發生的宇宙極端事件的可能性更大。

“之前用其他方法製造的X射線聚焦望遠鏡的視場(即視野範圍)大概是地球上看月亮那麼大的天區,而我們現在這個龍蝦眼望遠鏡大約能夠覆蓋1000個月亮那麼大的天區,未來的愛因斯坦探針衛星上將安裝12個這樣的望遠鏡,其視場可達到約1萬個月亮那麼大。”凌志興說。

這是龍蝦眼X射線望遠鏡獲得的銀河系中心天區圖像(2022年8月攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)
這是龍蝦眼X射線望遠鏡獲得的銀河系中心天區圖像(2022年8月攝)。 新華社發(中科院國家天文台供圖)

他介紹,此次發射的望遠鏡上的微孔龍蝦眼鏡片以及CMOS(一種圖像感光元件)探測器均為中國自主研發。

“我們在國際上首次提出將CMOS探測器應用於空間X射線天文觀測並首次獲得成功實施。這是X射線天文探測技術上的一項重要創新。”凌志興說。

該領域著名專家、英國萊斯特大學保羅·布賴恩教授表示,這項技術將對宇宙X射線監測帶來變革性推動,也顯示了愛因斯坦探針巨大的科學潛力。

愛因斯坦探針首席科學家助理張臣博士說:“我們經過十多年艱辛努力終於成功獲得龍蝦眼望遠鏡的觀測成果,能夠為世界天文學研究貢獻先進的設備,我們都感到非常自豪。”

他說,愛因斯坦探針將對宇宙中的高能暫現天體開展系統性巡天監測;有望發現隱身的沉寂黑洞,並測繪宇宙黑洞的分佈,研究其形成演化和物質吸積過程;搜尋來自引力波事件的X射線信號並精確定位;還將觀測中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽馬暴等天體和現象。

據介紹,愛因斯坦探針計劃已吸引廣泛的國際關注,歐洲空間局、德國馬普地外物理研究所以及法國航天局共同參與了這一計劃。