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2024/09/13

天文科普|宇宙“焰火”捕捉者

在天文学的发展历程中,不断有新的技术和设备涌现,为我们打开一扇又一扇通往宇宙深处的窗户。爱因斯坦探针(Einstein Probe,简称 EP)卫星,便是当今天文学领域一颗璀璨的新星,它以其独特的设计和强大的功能,为我们带来了前所未有的宇宙观测体验,并且已经取得了令人瞩目的研究成果。
爱因斯坦探针卫星是什么?

爱因斯坦探针卫星示意图

爱因斯坦探针卫星是中国科学院牵头研制的一颗空间科学卫星,于2024年1月发射升空,主要用于观测宇宙中的剧烈爆发现象,捕捉这些转瞬即逝的宇宙“焰火”, 因主要科学目标涉及黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的重要科学预言,取名为“爱因斯坦探针”。

其基本构造由一台全天监视器型宽视场 X 射线望远镜(WXT)和一台后随观测的窄视场 X 射线望远镜(FXT)组成。宽视场 X 射线望远镜(WXT)由 12 个望远镜模块组成,每个模块都有独特的 “龙虾眼” 结构。这种结构是受到龙虾眼睛的启发,由许多方孔形状的微型管道构成,管道壁光滑且指向同一球心,可以使各个方向的光线在小方孔内反射汇聚。窄视场 X 射线望远镜(FXT)用于暂现源和爆发源的后随观测及机遇目标观测。

爱因斯坦探针的成功发射和运行,标志着我国在天文观测领域取得了重大突破。它将为全球的天文学家提供宝贵的观测数据,推动天文学的发展。

爱因斯坦探针卫星的主要科学目标

‌爱因斯坦探针的科学目标主要包括发现宇宙中的X射线暂现天体、探索黑洞耀发和测绘黑洞分布、探寻来自引力波源的X射线信号。‌
爱因斯坦探针卫星的主要科学目标之一是发现宇宙中的X射线暂现天体,监测已知天体的活动性,探究这些现象的性质及相关物理机制。这些暂现源包括超新星激波暴、高红移伽马暴、特殊伽马暴和X射线闪、磁星、中子星双星、白矮星等。通过大视场的监测,爱因斯坦探针可以获得大样本天体从秒到月的时标量级的X射线流强的变化,增进对天体X射线辐射变化的规律和辐射机制的认识。
此外,探索和测绘宇宙中沉寂的黑洞的耀发,进一步理解其起源、演化和物质吸积过程,也是爱因斯坦探针卫星的另一大科学目标。通过捕捉宇宙中的暂现源,爱因斯坦探针卫星旨在揭示宇宙中壮观和神奇的暂现源和爆发源,如太阳系附近的恒星活动到来自遥远的早期宇宙的伽马射线暴等,这些现象在很短的时间里可以辐射巨大的能量,这些能量集中在X射线波段,呈现复杂的亮度变化。
这颗卫星的发射和运行,将有助于人类更深入地理解宇宙的奥秘,探索时域天文学和高能天体物理领域的新发现。

爱因斯坦探针卫星的成果

至2024年7月22日,已成功探测到4000多个已知X射线源,新探测暂现源超过30例、恒星耀发300例,已发布50多条天文警报。并引导了国际上的多波段望远镜对EP发现的目标开展后随观测,其中包括VLT(Very Large Telescope,欧空局的光学望远镜),VLA(Very Large Array,美国射电望远镜阵)、Chandra(钱德拉X射线天文台)等大型设备。观测结果得到了国际同行的高度认可和关注,为国内外地面和空间望远镜协同观测提供了重要的指引。

爱因斯坦探针卫星第一批在轨科学探测图

2024 年 4 月 27 日,爱因斯坦探针卫星任务发布了第一批在轨探测图像。

图1 宽视场X射线望远镜(WXT)指向银河系中心的观测图像(X射线数据版权EP科学中心)

图1展示的是宽视场X射线望远镜(WXT)指向银河系中心的观测图像,曝光时间约40000秒。几乎所有明亮的X射线天体都能在图中分辨出来,这些紫色的十字形光斑是由龙虾眼X射线望远镜拍摄成像的,蓝色云雾状结构来自银河系热气体的前景辐射。宽视场X射线望远镜(WXT)有着世界上最大的X射线聚焦成像视场,几乎覆盖了全天的1/11。照片中X射线天体使用紫色画出,底图是由欧洲南方天文台(ESO)提供的数字巡天(DSS)彩色照片。

图2 宽视场X射线望远镜(WXT)首次报告的暂现源(X射线数据版权EP科学中心)

图2展示的伽马射线暴候选体(EP240219a)是宽视场X射线望远镜(WXT)最早发现的若干暂现源之一,是EP卫星团队第一个在天文学家电报上报道的暂现源。该伽马射线暴于2024年2月19日在WXT视野中突然出现,持续约100秒后消失。图中心的亮源是著名的蟹状星云(Crab),它也是WXT用于定位标定的源。

图3 后随X射线望远镜(FXT)对蟹状星云(Crab)观测图像(X射线数据版权EP科学中心)

图3展示的是后随X射线望远镜 (FXT)于2024年2月28日观测到的蟹状星云 (Crab)。蟹状星云是著名的超新星遗迹,其前身星爆发于1054年,中国宋代天文学家观测到并详细记载下来。

图4 后随X射线望远镜(FXT)对梅西耶87(M87)椭圆星系观测图像(X射线数据版权EP科学中心)

图4展示的是后随X射线望远镜(FXT)在X射线能段观测到的室女(Virgo)星系团中明亮的巨椭圆星系梅西耶87(M87)。梅西耶87(M87)内存在大量弥散的热气体,其中心有一个大质量黑洞,产生的喷流把中心区域的冷气体带出来,形成了臂的形状,在后随X射线望远镜(FXT)的图像中能够清晰的看到这个结构。同时在梅西耶87(M87)外围,还清楚地观测到亮度阶跃变化的冷锋。

爱因斯坦探针作为一种先进的天文观测设备,在短时间内就取得了丰硕的研究成果。它的出现将推动天文学的发展,为人类探索宇宙奥秘提供新的动力。相信在未来,随着它的持续运行和不断探索,我们将能够更深入地了解宇宙的本质,为人类的科学进步做出更大的贡献。