太空中的龙虾眼 —爱因斯坦探针卫星

1月9日15时03分，长征二号丙运载火箭搭载着爱因斯坦探针卫星（Einstein Probe，简称EP），在西昌卫星发射中心成功发射升空，我国天文领域又多了一件大国重器。

这座运行在距地表600公里高空的X射线天文台，主要用来监测宇宙中的高能暂现天体和剧变天体。这些天体往往与黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的科学预言有关，“爱因斯坦探针”的名字也由此而来……

爱因斯坦探针卫星在国际上首次大规模运用了龙虾眼微孔阵列聚焦成像技术。图为爱因斯坦探针卫星示意图 （来源 / 中国科学院微小卫星创新研究院）

变幻的宇宙

宇宙如同一个充满活力与变化的舞台，每一刻都在上演着新的剧情。

除了星系并合、宇宙膨胀等长达数十亿年的漫长演化，宇宙中还充斥着大量的暂现天体和剧变天体，例如超新星爆发、双中子星并合、黑洞潮汐瓦解恒星等。它们的亮度能够在年、天甚至秒的时间尺度上，发生数个量级的大幅变化。

此外，不同于我们常见的太阳和群星，很多剧变天体发出的“光”主要是X射线和γ射线。这两种射线与可见光本质相同，都是电磁波。不同颜色的光具有不同的频率，只是X射线和γ射线的频率和光子能量都更高。

X射线波段的奇特景象

如果我们从X射线波段观察宇宙，就会发现看到的景象与从可见光波段看到的非常不同。

尽管地球受到来自众多天体的X射线照射，但是它们基本都因与大气相互作用而被吸收，无法在地表被检测到。所以，若想从X射线波段观察宇宙，我们就必须把X射线望远镜发射到太空去。

看得广和看得远的矛盾

看得广

大部分暂现源（那些在天空中突然出现，然后又很快消失的天体或天文现象）距离我们非常遥远，在爆发前完全不可见。这使得我们无法预知它们出现的时间和方位。因此，我们需要视野非常宽广（大视场）的望远镜才能及时捕获到这些壮丽的宇宙焰火。

为此，人们在以往的大视场X射线望远镜中采用了非聚集直线光学技术，简单来说是开孔挡光，即在探测器上边放一个带有非常多狭缝的厚金属板，光只能从缝里过去，但却难以看到更暗的天体，难以获得观测目标更准确的位置。

看得远

要想看到更遥远的暗淡X射线天体，需要聚焦成像。

可见光的聚焦成像能通过折射和反射轻松实现。但X射线光子能量极高，高到足以与分子、原子发生相互作用，因此它们在大多数情况下不会被简单地折射或反射。

X射线只能通过掠入射聚焦成像。由于掠入射角度极小，对于来自某个遥远天体辐射的平行光，仅有极小的一部分会入射在某一层反射面上并聚焦成像，导致光子收集效率低下。为了看到更远更暗弱的天体，人们需要在X 射线聚焦成像系统中嵌套多达几十个到上百个的平行的反射面来提升光子收集有效面积，而且这些反射面必须光滑得仅有原子大小起伏。这使得望远镜体积庞大，TokenPocket官网成本高昂。更麻烦的是，掠射使得现今广泛使用的X射线聚焦成像系统——Wolter I型光学系统的视场非常狭小。如何兼得“看得广”和“看得远”，成为困扰X 射线天文发展的瓶颈。

来自龙虾的启示

龙虾拥有一双由众多方形微孔组成的球状复眼。这些微孔的轴线都指向球心，这使得入射光在孔壁反射后能聚焦到视网膜上。

1979年，美国天文学家罗杰·安吉尔（J. Roger P. Angel）受龙虾眼睛启发，提出“龙虾眼X射线望远镜”——由于任何方向的入射光总能找到满足聚焦成像条件的一些微孔，因而龙虾眼望远镜有潜力将视场拓展到整个全天。但受技术限制，这在当时仅仅是一个设想。

（图源 中国科学院国家天文台）

大视场聚焦成像的先行者

得益于微加工技术的进步，如今人们能够在金属玻璃片表面制作上百万个非常光滑的微小方孔，从而大批量生产轻巧而精密的微孔光学器件，这让制造龙虾眼X射线望远镜成为可能。

中国科学院国家天文台的科学家们，自2010年开始着手研发微孔龙虾眼技术。在短短数年的时间里，他们将一个原理性的概念变成一套实实在在的设备，最终不仅让仪器性能国际领先，也先于同行一步将望远镜送入浩瀚星海。

太空中绽放的莲花

爱因斯坦探针卫星的形状像一朵绽放的莲花——“花瓣”是由12个独立模块组成的宽视场X射线望远镜（Wide-field X-ray Telescope，简称WXT），而一对“花蕊”是能够看得更清晰的后随X射线望远镜（Follow-up X-ray Telescope，简称FXT）。

“花瓣”

——宽视场X射线望远镜

宽视场X射线望远镜主要用于监测来去匆匆的暂现源。它的每一个模块都由36个龙虾眼微孔光学器件拼接而成。12个模块指向不同的方向，提供了高达3600平方度（用于测量天体在天空中所占面积的单位）的视场，覆盖接近1/10的天球，仅需约5个小时就能完成对夜天区的完整观测。

同时，宽视场X射线望远镜还使用了48个互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器，搜集“龙虾眼”聚焦来的光子，并将其转化为电信号。这也是国际上在天文领域首次使用CMOS探测器，它大幅降低了望远镜的复杂度和成本，并且具有超快的读取速度。

图为爱因斯坦探针卫星在银心方向的探测图像。紫色和蓝色分别是宽视场 X 射线望远镜探测到的 X 射线天体以及热气体；宽视场 X 射线望远镜的视场范围以白色框出；背景图是银河系在光学波段的图像 （来源 /中国科学院、欧洲南方天文台数字化巡天项目）

“花蕊”

——后随X射线望远镜

天文学是观测驱动的科学。每一次观测能力的提升，都会产生新的天文发现和突破性进展。

为了更好地研究被宽视场X射线望远镜发现的剧变天体，科学家研制了后随X射线望远镜。

为了能在暂现天体出现的第一时间获得高质量的观测数据，爱因斯坦探针卫星研发团队设置了独特的观测策略：当宽视场X射线望远镜发现新的暂现天体时，卫星会立即自动转向新天体的方向，用后随X射线望远镜对它进行高精度的观测。

后随 X 射线望远镜 （来源 / 中国科学院高能物理研究所）

凭借着大视场和高灵敏度的优势，爱因斯坦探针卫星在短短半年多的时间就探测到了数十例伽马射线暴、400 余颗恒星的耀发以及众多起源未知的暗弱 X 射线源。

在未来，随着爱因斯坦探针卫星海量观测数据的积累，我们将有望找到迟迟不肯现身的中等质量黑洞，搜寻引力波事件所伴随的电磁信号；了解超大质量黑洞的形成、引力波事件的起源、超新星的前身星等大科学问题，一睹宇宙奥秘的真容。

中国科学院国家天文台爱因斯坦探针项目组各位成员对本文亦有贡献

撰稿| 刘明君

责任编辑 | 高琳 张丽涵

运营编辑 | 张丽涵

质量审核 | 业蕾

❖ 来源：《知识就是力量》杂志

《太空中的龙虾眼 —爱因斯坦探针卫星》❖

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