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多彩的X射线宇宙及爱因斯坦探针卫星

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中科院老科协国家天文台分会
举办时间:2019-04-10       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1.                汪克敏(主持人),中科院老科协国家天文台分会理事长,研究员
  2.                金驰川(主旨报告),中科院国家天文台研究员,中科院“青年才俊”百人计划引进人才,专业方向为高能天体物理,在大质量黑洞吸积的多波段辐射,特别是在超爱丁顿吸积活动星系核的 X 射线能谱和时变、多波段辐射特性等方向有深入研究,是爱因斯坦探针卫星研制团队的核心成员。
  3. (以下按姓氏笔画排列)
  4.                何远光,中科院老科协理事长兼秘书长
  5.                桂文庄,中科院老科协副理事长,原高技术局局长、研究员
  6.                郭红锋,中科院老科协国家天文台分会副理事长
  7.                蒋世仰,中科院国家天文台研究员
  8.                胡静维,中科院国家天文台,空间科学学部博士研究生
  9.                胡施展,中科院国家天文台,空间科学学部硕士研究生
  10.                孔  旭,中科院国家天文台助理研究员
  11.                蓝松竹,中科院国家天文台研究员
  12.                李东悦,中科院国家天文台,空间科学学部博士研究生
  13.                厉光烈,中科院老科协高能物理所分会秘书长、研究员
  14.                林世昌,中科院电子所分会理事长、研究员
  15.                林元章,中科院国家天文台研究员
  16.                陆  烨,中科院国家天文台综合事务部主任
  17.                刘  柱,中科院国家天文台,空间科学学部助理研究员
  18.                盛海英,中科院国家天文台离退休办公室主任
  19.                麻莉雯,中科院老科协办公室主任
  20.                冉淑荣,中科院国家天文台综合办公室
  21.                孙克忠,中科院老科协地质与地球物理所分会秘书长、研究员
  22.                石  硕,中科院国家天文台党委副书记,纪委书记
  23.                田国良,中科院遥感与数字地球所研究员
  24.                王柏懿,中科院老科协力学所分会理事长、研究员
  25.                屠乃琪,中科院老科协国家天文台分会秘书长
  26.                吴令安,中科院老科协物理所分会副理事长、研究员
  27.                张  靖,中科院国家天文台二部办公室主任
  28.                章亚声,中科院国家天文台高级工程师
  29.                邹振隆,中科院国家天文台研究员
  30.                左成刚,中科院国家天文台财务资产部主任
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【简介】

 

爱因斯坦的广义相对论预言,浩瀚的宇宙中遍布着大大小小数不尽数的黑洞,有些与恒星为伴,质量也与恒星相当,另一些则藏在星系中央,质量达到太阳的百万倍甚至上亿倍。我们之所以很少发现它们,是因为它们中绝大多数在生命的大部分时间内都低调行事,安静地啜食着周边飘荡而来的物质。但它们偶尔也会发作,激荡并加热着紧邻其旁的下落物质,使后者突然释放出巨大的能量,特别是X射线。

为了发现这些潜藏的黑洞,中国天文学家提出了爱因斯坦探针卫星计划,将自然界中龙虾眼的多孔成像技术移植到卫星搭载的软X射线望远镜上,能以前所未有的高探测灵敏度和大视场监视来自宇宙的X射线辐射,捕获源自黑洞的X射线暂现或瞬变天文现象,并将发现向全世界实时发布。广义相对论还预言了引力波—时空自身的涟漪,只要借助那么一点点机遇,爱因斯坦探针卫星也有望探测到与引力波事件相伴的X射线爆发,协助下一代的引力波望远镜实现对引力波这一伟大预言的验证。

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【主持人致辞】

 

汪克敏: 欢迎大家来到我们的爱因斯坦探针卫星学术沙龙。探测宇宙高能天体,特别是遥远或稀有天体,预期能够带来一系列重要的科学发现。刚才我们也播放了一部短片,介绍了爱因斯坦探针的科学项目,让大家对这个科学项目有了初步的认识。视频涵盖了今天我们报告的主角——爱因斯坦探针的主要科学目标,以及后续将要探测的重大天体物理现象。今天我们邀请了国家天文台空间科学部的金驰川研究员作主旨报告,他是高能天体物理专家和“爱因斯坦探针卫星”研制团队的核心成员。下面有请金驰川研究员:

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【主旨报告】

 

金驰川:多彩的X射线宇宙及爱因斯坦探针卫星

一、引言

非常欢迎各位专家老师参加我们的学术沙龙活动,今天我特别荣幸能够介绍爱因斯坦探针这个项目。可以看到视频里显示中间有一个黑洞,然后这边是一个类似太阳的恒星,引力将把这个“太阳”撕碎,然后它的物质被黑洞吸收,爱因斯坦探针的重要目标之一就是捕捉黑洞吸积物质的过程。

我的报告题目是“多彩的X射线宇宙与爱因斯坦探针卫星”,在座的各位老师可能并不是从事高能天体物理研究,所以先简单介绍一些背景。

二、X射线天文的发现与发展

关于X射线天文和X射线的发现,我们知道X射线最早是伦琴1895年在实验室发现的,当时是在用阴极射线管做实验的时候发现了X射线,非常意外。当时是想把阴极射线管包得非常严实,保证不漏光,又把实验室所有的灯都关掉了,里面变得一片漆黑。当他打开阴极射线管的时候发现距离一米的位置的荧光屏上出现了一个亮点,然后他就觉得很奇怪,因为纸板没有任何的孔,不知道这是什么东西,但是这个东西能够穿过纸板,当他把纸板换成了玻璃和其它材料,亮点一直都在,说明这个射线能够穿过很多东西。但一旦把这个东西换成铅板以后这个光也就没有了。当时不知道这是什么东西,只知道这是一种射线,所以就起名叫做X,它称作X射线,这个名字就流传下来了。为了纪念伦琴的发现也叫做伦琴射线。之后伦琴又用他夫人的手拍了一张著名的X光片(图 1),照片里可以看到一个大戒指。伦琴在1896年正式发表了这个发现,然后在1901年获得了人类历史上第一个诺贝尔物理学奖。

实际上比伦琴早一年特斯拉也发现了X射线,但当时他不知道这是什么射线,所以在实验室里做研究,但是很遗憾,1895年3月他的实验室发生了一场大火,大部分的实验设备和实验报告都烧掉了,因而没有能够及时发布结果。很快伦琴独立发现了X射线并发表了结果。特斯拉也没有去争这个第一,而是把精力投入到了进一步研发X射线成像技术。我们知道特斯拉有其他著名的贡献,比如他发明了人类历史上第一个无线发射机,并设计了交流电系统。

我们光是一种电磁波,包括从射电、微波、紫外、X射线等。由于地球覆盖着厚厚的大气层,从天上来的射电和微波的光能够到达地面被观测到,这也是我们在地面建设FAST、LAMOST等望远镜设备的原因。到了毫米波和红外的时候大气里的氧和水气能够产生显著的吸收,所以就没有办法在地面观测,需要用到的探空飞机、探空气球、探空火箭等。探空飞机一般可以飞到两万米的高空,探空气球可以飞到四万米,探空火箭可以飞到几百公里,所以不同设备对应不同的高度。如果再往更高能的波段来走的话,到了X射线和伽玛射线,大气就开始变得不透明。这是一件好事,因为这些射线是对人类有害的,要是大气对这些射线透明的话我们人类就无法生存了。

当然,我们无法在地面探测这些高能射线,所以只能穿越大气层到空间,通过运载火箭发射空间卫星,这也是为什么研究高能天体辐射一定会谈到空间科学,不仅因为我们研究的是宇宙天体,也因为探测器是要放在天上的。

这里准备了一部小视频,因为探空飞机非常有意思,涉及到红外探测设备,是放在波音747飞机上。这个视频介绍了NASA的索菲亚红外望远镜,其中二十年都是为NASA服务,观测的时候飞机后部的挡板就可以打开,然后在飞机的飞行过程中,来自宇宙的红外光就可以被飞机里的红外探测器接收。科学家们觉得这个想法很疯狂,因为我们知道飞机飞行过程中是有很强的湍流和振动的,但是望远镜观测时是需要一直盯着目标的,所以探测器需要安装动量轮等仪器来抵消这种振动。

因为这些都是红外的,可以把探测器放在飞机上,然后飞机飞到几万米的高空去做观测,但是X射线的吸收太强了,所以只能把探测器放到几百上千公里的高空。人类最早探测空间的X射线就是探测来自太阳的X射线辐射。1949年太阳的X射线第一次被探测,就是用V2火箭送到几百公里的高空,然后Geiger计数器探测到了太阳的X射线辐射。当然,这并不是很令人惊讶的事情,因为科学家早就知道太阳的日冕物质可以达到几百万度的高温,从而产生高能辐射。但是,在做了这个实验以后,科学家很快就意识到宇宙有可能在X射线波段是完全是黑暗的。虽然宇宙里面有很多类似太阳的恒星,但他们辐射的X射线太弱,所以当时的探测器水平是根本探测不到的,所以当时很多科学家认为宇宙在X射线波段是“黑”的。

当然,有一个人并不这么认为,这就是贾科尼博士。1962年的时候贾科尼博士在美国的科学与技术公司有一个团队,当时他的想法是发一个Geiger计数器到空中看一看月球的辐射。他当时试图说服NASA来做这个事情。这是1962年,NASA是在1958年建立的,所以才刚刚建立四年,其政策可能相对保守,因而贾科尼博士没有能够说服NASA用火箭把Geiger计数器送到天上。但是他的团队和美国空军有合作,当时美国空军特别想参加肯尼迪总统的探月计划,所以贾科尼博士就和美国空军说,太阳的X射线到达月球表面会部分被反射到地球,这些X光很可能携带了月球表面的信息,所以如果探测到月球的X射线辐射的话,就能研究月球的成分。这就把探测月球的X射线和探月联系在一起了。美国空军很高兴,批准了贾科尼博士的想法,实施了这个项目。

这些就是1962年的Arobee 150探空火箭和当时的照片。这个视频是现代的火箭发射,当时的场景和这个相像。火箭升空后,遮板打开,计数器开始观测。我们知道火箭运行的过程中因为空气动力学的效应会不断地自转,非常快,但是探测到X射线以后需要知道X射线是来自于哪里,因而需要实时监测火箭的自转和姿态,这样才能计算出探测到的X射线来自于空中哪个方向。这张图显示探测到的结果,当时放的是三个Geiger计数器,最后从两个Geiger计数器上收集到信号,可以看到在这个方向有一个很强的X射线信号,而且这个信号被两个Geiger计数器看到。这个方向不是太阳、也不是月球,对应的是天蝎座的天区,因而当时不知道这个辐射源是什么,但知道它肯定不是来自太阳系内的天体。贾科尼团队在1962年发表了这篇著名的文章,宣布这是来自于太阳系外的X射线天体。这篇文章是在2002年获得诺贝尔物理学奖。实际上贾科尼博士最初的想法是探测月球的X射线。三十年后,我们确实用ROSAT卫星看到了月球也可以产生X射线,这种X射线确实来自于月球表面的尘埃和太阳风物质的相互作用。所以当时贾科尼博士的想法也是对的,只是我们现在知道月球的X射线流量太低,所以以当时的探测器灵敏度来说是探测不到的。

回顾过去的三十年,天文学已经产生了巨大的进展,在电磁波的每个波段我们都有非常多的探测器。这个图显示的是现有的和未来要建设的大型巡天设备。现在我们也可以探测引力波和中微子了,所以也是多信使探测时代。现在,针对一个天体,我们不仅可以从多波段去刻画,同时也可以用引力波和中微子探测器去研究,现在对宇宙天体我们能够得到的信息要比几十年前多得多。

大家可能注意到了另一个点,就是现在我们看天体就类似与对着天空拍照,只是用不同波段的“相机”,但是我们知道星空不是静止的,而是不断变化的,天上的星星一直在变化,比如有的地方会突然出现一个星,可能过了几个月又变暗消失了。目前我们对星空变化的研究非常少。很多老师可能都看过流星,需要一直盯着天空,甚至眼睛都不眨,因为一旦眨眼睛的话流星就过去了,但是即便看着这片天空,可能流星会从那片天空过去,所以我们就需要非常大的视场能够看到很多方向,而且需要一直看。这就需要用到大视场的监视设备,而且需要在多波段进行部署。

三、X射线光学系统

在介绍EP卫星之前我们大概了解一下传统的X射线光学设计。普通的光学望远镜最基本的原理就是这种光学聚焦,就是透镜加上反射镜,但是X射线的穿透性非常强,普通透镜是没有用的,很难聚焦。最早用来探测X射线是这样种思路,就是这里放一个探测器,然后加上很多这样的金属板子,中间有些非常细的狭缝,这样的话只有一部分平行的X射线能够穿过狭缝进入探测器,这样我们就知道把探测器指向某个位置的时候能够探测到的X射线肯定是来自于那个方向。

但是这种设计损失了大量来自其他方向的X射线。为了增加信号同时实现成像,科学家们提出了一种编码孔径技术。简而言之,这种技术相当于用一块板子,板子上面扎了很多孔,这时候如果有一个X射线天体,它发射的X射线会穿过这样的洞,就会在下面的探测器上产生图像。因为上面的板子上有这样的形状,光线穿过板子上的孔之后在探测器上就会留下这样的影像。如果有另外一个X射线源位置稍微偏一点,穿过这个板在探测器上就是另一个影像。所以来自于不同方向的X射线天体在探测器上产生的图像是不一样的,这样就容易同时观测和区分不同的X射线天体了。

实际上探测器上显示的不仅是简单的图形,而是很多非常复杂的图形重叠在一起,代表着不同的X射线源,所以事实上要从这样的探测器上读取这些X射线源信息要有一个退卷积过程,计算过程通常比较复杂。这是一种比较经典的X射线探测的方法,已经被很多卫星所使用,比如INTEGRAL卫星,这个图上显示一些特定的图案。2015年我们国家发射的X射线慧眼卫星也采用了这种编码孔径技术。

这个图显示过去半个世纪的X射线大视场监视器的发展,Y轴是探测器的面积,X轴是年代。我们发现探测器的面积越做越大。因为探测器的面积越大收到的X射线光子越多,信噪比就越高。可以用一个简单的理解,就是水盆接水,下雨天水盆越大同一时间接到的水就越多。过去的半个世纪我们做的就是把各种各样的水盆送到天上然后接收天上掉下来的X射线,接到的越多信噪比就越好。但是大家可能注意到这是有问题的,因为过去二十年左右的时间,探测器的的面积基本没有怎么增加了,但是这在科学上来说是一个限制,因为现在的探测器灵敏度使我们能探测到银河系内的暂现源,但是对银河系外的大量较暗的暂现源我们却没有办法探测,所以我们相当于已经到达了一个瓶颈。

应该怎么办呢?我们需要聚焦成像的设备。为什么探测器到了这里就没有办法继续提高有效面积?因为现在这些探测器的重量已经达到一吨左右,有的探测器已经超过一吨,发射重量可能有好几吨,这么重的探测器发射到天上是非常难的,而且要得到大量新的发现,灵敏度至少需要提高一个量级,就是从一、十到一百是重大飞跃,一百到一千是重大飞跃,一千到一万是重大飞跃,下一个重大飞跃需要再提高一个量级。我们知道探测器灵敏度提高一个量级的话尺度也要提高一个量级,所以意味着成本和重量都要增大好几倍,这是根本没有办法实现的,探测器会已经到达到十几甚至几十吨,而长征5号的近地轨道运载能力是25吨。所以继续把探测器做大这个事情非常难的,我们需要新的技术来实现聚焦成像以提高灵敏度。

什么是聚焦成像?就是现代最先进的X射线望远镜都采用的一种技术。刚开始我们说过,X射线是很难聚焦的,但我们还是有办法通过一个镀金的抛物面和一个双曲面,把平行的X射线在焦平面上面聚焦。当然,仅仅这样还是不够的,为了增加有效面积我们需要嵌套很多层这样的镜面,因而重量和面积都非常大。由于要提高反射效率的话镜面要做得非常光滑,相应的技术难度也非常大。

这是二十年前发射的XMM-Newton卫星,上面有非常细腻的一层一层的结构,整个焦距有7.5米。即便是20年前发射的卫星,现在的使用需求也非常大,每年大概只有七分之一到八分之一的天文学家能够得到卫星的观测时间。

另一个例子是NASA的NuSTAR卫星,它采用了比较新奇的技术。我们知道聚焦X射线需要把焦距做得非常长。硬X射线的能量要更高一点,比软X射线高几倍到几十倍左右,这样的射线更难聚焦,所以同样的聚焦方法需要把焦距变得更长。我们知道要把这样一个仪器送上天的话基本上是不可能的,因为运载火箭的整流罩大小是固定的。所以为了把这个东西装到运载火箭里送上天,科学家就想了一个办法,就是做了视频里这样一个延展结构。刚开始的时候就是缩在一起的,到了天上以后才展开。

这是NuSTAR卫星探测的科学目标之一,就是研究恒星被黑洞的潮汐力撕碎被黑洞吸积之后的辐射。实际上这个延展结构的想法有点疯狂,我们知道X射线天文望远镜的指向要求是非常高的,所以对设备的振动非常敏感。所以一方面要把设备的稳定性做好,另一方面也要加上一个激光器,在探测器平面形成一个亮点,通过跟踪这个点的移动就能跟踪系统的振动,从而能够对探测到的X射线进行修正,然后可以把精度提高。这就是NuSTAR采用的技术,不过这种技术非常难,我国目前还是做不到的。

但是这种沃特I型聚焦望远镜的视场无法做到很大,因而对于大视场设备来说是不适用的。这样就需要新的技术来实现大视场的聚焦,也就是所谓的龙虾眼聚焦成像。这种技术模仿的是龙虾眼的结构。如果放大龙虾眼,我们会发现里面有非常多的小孔,这些小孔的聚焦方法和刚才我们看到的不一样。在这个光路里,有些光子会在小孔的壁上产生一次反射,然后达到探测器上面形成一个条状结构,还有一些光子会在壁上再产生反射,从而聚焦在中心的位置。这样聚焦的结果就是这幅图里这样的十字结构。

这是我们在实验室制作的仿生龙虾眼结构的片子,上面也有很多微小的孔,原理就是在这种地方布这样的小孔。如果是X射线源在不同的方向过来,会反射聚焦到焦平面的不同点,这样来自不同方向上的射线源就会在交平面上聚焦。此外由于没有角度的限制,来自不同方向的射线源都成像在焦平面上,实现大视场的聚焦成像。

为什么说这是一个理想的X射线光学设计?因为这可以实现大视场的聚焦成像,也有比较好的空间分辨率和比较高的灵敏度。灵敏度和探测器的本底有关系,如果把光子聚焦到探测器非常小的区域,这样得到的大部分光子就是真正探测到的信号,灵敏度也会高。这种多孔结构质量也非常轻,不像传统结构需要层层嵌套镜片。

三、爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe -- EP)

探测技术在天文领域起着巨大的驱动作用,每次探测能力提高一个数量级都会带来跨越式、革命性的新科学发展,这是刚才我们已经看到的。爱因斯坦探针卫星(EP)具有很高的分辨率和很大的视场。EP和现在同类型运行的X射线大视场监视设备被相比,灵敏度和分辨率至少要高出一个量级以上,意味着EP确实有这样的潜力,能够带来大量的新科学发现。

这个图显示了EP能够看到的宇宙空间,中间这个小圈就是现有的设备能够看到的,非常的小,EP能够把探测灵敏度提高一个量级以上,所以相当于距离提高十倍,看到的空间就能够提高一千倍,也就是体积是半径三次方的关系,从而我们可以发现很多未知的现象。这个图展示了EP卫星的主要科学目标,其中最重要的目标之一就是探测引力波电磁对应体。之前国际上一个非常重要的引力波事件就是通过后续观测,发现电磁波的爆发。引力波探测器探测到引力波信号,然后多波段望远镜能够很快去找电磁对应体。由于引力波探测器给出的位置非常不准, 其它的卫星就是需要马上转过去,因为视场非常小,所以需要一点一点去看,而EP视场的大视场可以随时监视一个大天区。因此EP对引力波电磁对应提的的探测效率要比现在的X射线聚焦型望远镜高很多。

这个视频展示的就是第一个引力波天体,现在我们听到的就是引力波转换成声音的效果,EP的一个重要的科学目标就是探测这些引力波信号后面对应的电磁辐射,但是也可以做很多其它的事情,比如探测伽玛射线爆的X射线辐射,探测其它恒星的X射线耀发信号等。我们可以看到白矮星吸收旁边天体的物质,也可以看到不同尺度的黑洞的吸积过程。黑洞本身是暗的,不产生电磁辐射。但是一些星际介质落入黑洞的过程中会不断发光发热,这样才能产生可以探测到的信号。EP卫星的特点就是灵敏探测、自主触发、快速响应、天体溯源。

我们再来看EP的有效载荷,中间就是传统的聚焦型望远镜,旁边有十二个宽视场望远镜,相当于十二个龙虾的眼睛看着不同的方向。这是龙虾眼的片子,也有很多非常细微的小孔,总共要覆盖24×24平方厘米的面积,所以焦平面的探测器就要覆盖12×12 平方厘米。

我们知道探测器分为不同的种类,比如CCD探测器灵敏度非常高,但同时也非常昂贵,这是大部分卫星都在使用的探测器,因为需要非常高的灵敏度,但是EP这样的卫星没有办法使用CCD,整个部署的话大概需要花上亿的经费,还要从国外买,这是不太现实的,所以需要开发别的探测器,比如CMOS这种探测器更便宜,代价就是灵敏度更差一些。

这些就是目前EP国内的合作团队,包括国家天文台的EP光学设计,整个科学团队也是在这边,中间一小块的后随望远镜是高能所在负责。所以EP项目实际上涉及了非常多的单位合作。同时EP也有很强的国际合作背景,我们还有更多科学层面的国际合作,主要是地面和空中望远镜的联合与后随观测。由于完整刻画一个天体的话需要在不同波段同时来看,所以采用的办法就是EP看到一个射线源以后通知地面的望远镜和空间的望远镜,所以就需要其它地面和空间望远镜的合作。

EP整个实施流程是五年的时间,最终发射时间是2022年底。

总结一下EP的亮点:科学方面灵敏度高,引领国际合作。关键技术的自主创新,比如科学级CMOS探测器和龙虾眼光学设计都是自主创新,研发水平目前也是国际领先的。

EP有没有国际竞争呢?也是有的。我们知道比如ESA的“提修斯”项目,四个龙虾眼的探测器,现在已经被欧洲科学家提出来了,但还没有经过批准,预计是在2029年发射。他们最初是想用CCD,但是因为太贵了,现在也改为使用CMOS探测器,和我们的方案一样,但由于我们起步早,所以现在我们的技术是领先的。还有美国科学家向NASA提出的放在国际空间站的一个龙虾眼探测器项目,也处于预研阶段。因此我们也有潜在的国际竞争,但现在我们在技术层面应该是处于国际领先地位的。

EP是中国梦的一部分,能够实现中国天文学在时域高能天体物理领域的突破。我们知道中国是最早开展有变化天体研究的国家,也为世界天文发展做出过重要贡献。公元1054年我们对超新星的观测,这段古文翻译成现在的话就是1054年7月4号突然有一个客星在东方出现,之前没有看到过,白天就能够看到这颗星,亮度和金星差不多,颜色是炽白色,足足出现二十三天才开始变暗。可见古代我们对这种突然出现的星的记录是非常完备的。后来我们知道这个星就演变成了非常著名的蟹状星云。一千年之后,我们能够有机会再次用EP卫星,借助这种先进的探测技术,再次站在世界科学的最前沿。就像肯尼迪总统描述探月的话:“我们选择探月并不是因为这是一件简单的事情,而是因为它很难。”我们追求EP的梦想也不是因为它非常简单,而是因为它非常具有挑战性,所以我们还是需要继续撸起袖子加油干。

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【讨论与交流】

 

主持人:感谢金驰川研究员的发言。咱们开始讨论阶段,可以自由发言提问。

陆烨:本来我也是做高能天体物理的,希望提出一个问题。回到刚才那张图片,就是现有高能的发展,EP是想做X射线源的监测,因为之前也有NASA的卫星,我们观测的射线源就是恒星量级演化出来的射线源,还有提到的伽玛射线暴,中间还有中子星和黑洞,实际上我最感兴趣的就是伽玛射线暴原来的机制,中间有一个中等质量的黑洞,现在大概是百万量级以上,恒星量级就是一百克以内的黑洞质量,EP对这些X射线源中等质量的黑洞可能会有一个概率的预期,能否讲一讲?

金驰川:我们现在不知道这样的黑洞是不是真正存在,但是就像视频展示,如果黑洞旁边有一个恒星突然接近黑洞,慢慢地往黑洞里落,落的过程当中这些物质就会产生电磁辐射。因为黑洞的质量不同,产生的电磁辐射信号也不一样,这样EP提供的数据就可以用来帮助估计这个黑洞的质量。当然,实际上这是非常不准确的,所以最好的确定质量的办法就是多波段的测量,但是这样仍然非常具有挑战性。无论如何,EP可以看到一百多个黑洞潮汐瓦解事件的X射线源的活动,就是类似黑洞吸收恒星物质产生这种突然的爆发,这样的事件EP是能够看到的,而且总的探测数量会有一个量级的提升。当然需要进一步确定黑洞质量还需要后续的观测。现在我们的地面探测器能够探测到中子星并和,要是中等质量黑洞并和的话,产生的引力波信号地面探测器是探测不到的,因为频率太低了,黑洞质量越大产生引力波频率越低。这也是为什么欧洲的LISA空间引力波探测器的基线要做得非常长,可以看到低频的引力波信号,我们国家也有类似的太极和天琴等空间引力波探测计划。

刘柱:除了TDE事件,其实一些极亮X线源我们最开始也认为是中等质量黑洞,因为如果所有这些X射线都是吸积的方法产生,这种能量是有上限的,广度要高出一到两个量级。但后来发现可能是中子星的超艾丁顿吸积。但还有一些极软极亮的X射线源有可能是中等质量的黑洞,这也是以后我们会去监测的极亮X射线源,并从中找中等质量的黑洞。

厉光烈:刚才看到短片非常漂亮,确实是多彩的宇宙,但实际分析观察不是这个样子,这是经过美化渲染的东西,这些颜色在物理上表达什么问题,还是什么其它的考虑?

金驰川:这些颜色对应的都是不同的X线光子的能量,比如这副图里能量高一点的用绿色表示,能量低一点的用红色表示。

厉光烈:就是用不同的颜色表示不同能量的X射线,而且是多彩的,这个中文当中的名称就是颜色,所以这样的定义是不是有问题?为什么不叫多频?要是叫多彩的话就容易误解,现在都是用不同的颜色,比如红巨星就是红的标志,蓝色也是表示大星,可以让人产生误解。

金驰川:我同意您的补充,所以在做科学研究的时候每个图下面都会写明不同颜色对应的X射线能量范围。

田国良:按照图像分析的角度,多彩不一定就是真实的色彩,红外也可以用蓝色表示,表示的是温度的差别和能量的差别。

金驰川:确实和红外成像类似,颜色可以理解为温度或者能量。

林元章:EP视场是相当大的,上千平方度,采用60×60,肯定是很够用的,没有听到空间分辨率是多少?

金驰川:大概就是五个角分,目标就是在五个角分左右,这是可以实现的,目前在实验室里也可以做到这个精度,这是没有问题的。

林元章:掠入射式那个是没有使用龙虾眼光学设计?

金驰川:是的,EP中间那个后随望远镜只能做到三十多个角分的视场。

蓝松竹:那个交替是靠一层一层的吗?能够反射X光短波聚焦,这样可以改变方向使其聚焦,龙虾眼靠的是什么转变方向?

金驰川:龙虾眼也是靠反射,但是效率并没有那么高,也没有层层嵌套,能够实现一些光子在中间产生聚焦。由于我们要模仿龙虾眼的结构,带来的结果就是这样的十字。

王柏懿:这种十字有什么好处?

刘柱:十字本身并没有特别的好处,严格来说没有这个十字会更好,只需要中间聚焦的光子,但是要想用龙虾眼光学设计获得大的视场就要接受这种结构。

金驰川:这种聚焦原理已经提出几十年了,就是制造这种多孔片子非常困难,这是一直没有基于龙虾眼的光学设备的原因,现在我们这种技术应该是国际领先的。

王柏懿:你们的项目和技术是平行的吗?就是中国有人在做这个技术,你们把它引进用到这个项目上来?

金驰川:立项前就有人做这个技术,项目立项以后就更专注于开发这项技术,我们和国内的一家公司有合作,最开始的成像质量没有那么好,现在经过迭代改良做得更好了。

林世昌:信噪比方面综合起来有什么考虑?能够达到什么程度?因为信号是收到了的,但是这个信号能够达到什么样的程度?

金驰川:我们估计和现有的在国际空间站上的MAXI设备比,信噪比要高出一个量级。

孙克忠:采用的是什么探测器件?

金驰川:空间探测领域一般用CCD探测器,因为信噪比更高,灵敏度更高,但因为电子设计更加复杂,成品率低,成本也会高很多,而且需要从国外去买。所以我们改为使用国内自主研发的科学级CMOS探测器。

何远光:龙虾眼是不是最好的眼?还是螳螂眼会更好?蜜蜂的眼睛是不是更好?既然是仿生的,龙虾眼是不是最好的眼?现在我们都知道用三个眼睛三个局面,五个眼睛五个局面,现在成像的不是一个点,只是成像在曲面,那么就是三个眼睛成像在这里。发明龙虾眼的是不是各种生物眼睛都探测过,最后是龙虾眼最好、视角最大或者成像最好?或者螳螂的眼睛、老鹰的眼睛更好?

金驰川:这种探测器的重量也有一吨左右,中间的视场只有那一小块。所以如果要用普通小视场望远镜拼接成大视场的话,需要把很多很多望远镜捆在一起,无论是重量还是成本都极高。因为即便单个沃特I星望远镜重量可能已达到是1吨左右,要是拼成EP的大视场的话都捆在一起这个是不现实的,所以就是为什么要用龙虾眼光学。我们知道龙虾眼对X射线全天监视的设备特别有效,是不是别的动物的眼睛的结构更有效我还真不知道,可能需要生物学家继续研究,但我觉得是有可能的,可能不一定适用于X射线天文学,可能适用于其它方面。可能需要咨询其他专家,或许会有意想不到的新发现。

厉光烈:希望你们能够考虑风险分析,因为很多都是创新的东西,第一次做的应该多考虑一些,就是把风险分析做透的话可以避免很多问题。论证立项后面还有四个阶段,整个周期后面还有很多任务,所以希望你能够关注后面的那些。

金驰川:金驰川:确实,这种龙虾眼的光学设计和CMOS用于高能天文观测都是国际首次,所以必然会带来很多的风险,这些风险必须加以控制,然后有些备用方案才行。

吴令安:最近广播说是最近又要公布什么照片,这是怎么回事?

金驰川:是第一张拍摄黑洞视界附近辐射的图片,国际上是美国MIT一个团队领导的“事件视界望远镜”项目。从光学的角度来说的话,口径做得越大空间分辨率越高,要是看黑洞世界的话就需要一个望远镜,口径就像地球那么大。但是这个事情是没有办法做的,我们就同时用这些小的望远镜来看同样的黑洞,后期再用数学处理的方法,每个望远镜拍摄的图像都合在一起。因为每个望远镜随着地球转动的时候相当于一个大的镜片,地球那么大的一个望远镜,随着地球转动的时候同一个小的望远镜也可以对应大的望远镜不同的区域,相当于用很多小的望远镜同时来拍,最后再用数学的方法用计算机合成,所有的数据合在一起变成地球那么大的望远镜来看黑洞,空间分辨率也会非常之高。那个对算法和计算机计算能力的要求非常高。此时此刻正在“洗照片”,就是不同的望远镜数据合在一起,今天晚上就会发布最新的黑洞照片。

吴令安:是不是拍摄周边可发光的天体?

金驰川:是的,黑洞周边是一些发光的、被黑洞吸过来的物质。

林世昌:现在来看搞电子的也能发射X光,要把X射线用到整个大的宇宙上去,我还是不太理解,因为从红外望远镜到天文望远镜,这里有些什么特点和差异?因为现在是要探测黑洞,其它的卫星望远镜是不是有这种可能性?今天早上也有广播实验性的望远镜,说是探测黑洞的,可能就是这个东西。我也很感兴趣,所以查了百度,百度上也有报道,是在2017年发射的。

桂文庄:2017年那颗卫星是“硬x射线调制天文望远镜(慧眼)”,跟这个不是一样的,但都是我们科学院由空间中心来做牵头和规划的空间科学先导专项项目之一,今天我们讨论的EP卫星也是先导项目当中的一个。

林世昌:按照宏观上来考虑,现在我们的是大科学技术研究,整个前景的黑洞也好、引力波也好,能不能结合再往前面探索?科学设备的进步能达到什么程度?

金驰川:爱因斯坦探针卫星的探测是X射线波段,其它波段比如FAST、LAMOST,哈勃这样的望远镜也都能够看到黑洞吸积物质的辐射,比如黑洞吸积恒星物质,这些物质距离黑洞越来越近,温度也会越来越高,不同电磁波对应的是不同的能量,温度越高的话辐射电磁波的能量会越高。X射线看到的就是距离黑洞最近的区域产生的物质发出的光,光学望远镜比如LAMOST可以看的是距离黑洞中心更远的,这些区域产生光学的辐射能够被地面的望远镜看到,所以不同波段的望远镜都能够同时看到一个黑洞在吸收旁边的物质然后产生辐射。事实上我们确实需要不同波段望远镜同时去看,只有这样我们才能同时知道这样的系统在不同区域的辐射是什么样子,然后对整个物理过程有一个整体认识,仅仅是X射线的话我们只能知道其中的一小部分,这是远远不够的。EP卫星最主要的目标就是能够推动对极端物理的认识,比如中子星和黑洞,这些都是最极端的物理现象,所以对我们认识宇宙和基本物理规律具有非常重要的科学价值。

孙克忠:我们所也有一个关于星星方面的实验室,就是专门研究外来的陨石的成分,跑到地球外面来测这个信号,所以利用龙虾眼的原理来搞这个东西是非常复杂的,你们的重量是多少?天上的寿命是多少?

金驰川:几百公斤,我们设计的是三年寿命,预期能够延续两年,现在已经在天上飞的同类卫星都已经飞了二十年,最初科学家提的时候都是比较保守,比如运行三五年就成功了,实际上卫星可以携带更多的燃料,只要设备不出问题都可以继续运行下去。

孙克忠:不是太阳能的对吗?

金驰川:卫星自身携带一定燃料,太阳帆板也会提供一部分能量,但是需要卫星自身的燃料进行机动,一旦燃料尽之后卫星就没有办法做机动了,也就没有办法用了。

孙克忠:本次沙龙和黑洞照片发布这个有没有什么巧合?

金驰川:我们希望是有巧合,但是时间差了12个小时。

王柏懿:原来我以为这些东西是探针,把卫星的名字叫做爱因斯坦探针,主要的想法还是希望能够通过比如中子星的合并过程检验爱因斯坦的理论,能够给引力波的探测提供一个电磁波段的依据,是不是这样理解?

金驰川:是的。

王柏懿:X射线天文望远镜和爱因斯坦没有太大关系,主要是和目标以及将来要做的事情,这样理解是对的吗?

金驰川:是的,但是EP对黑洞的观测数据可以帮助检验爱因斯坦关于引力、黑洞、时空的理论。

王柏懿:龙虾眼X射线天文望远镜原始的是国外的,现在中国将来要发射也是要装很多龙虾眼的探测器,所以中国能够走在前面,天文台对龙虾眼探测器的光学设计做了很多。我还是很想知道你们有哪些创新,龙虾眼的探测器解决了哪几个关键的技术问题,能够使我们在国际上领先。因为你们最开始的龙虾眼设计是国外的思想,你们在哪几个方面的关键技术解决能够让我们走在世界前列?

金驰川:龙虾眼光学设计的想法的提出并不是新鲜事物,已经有好几十年的历史了,之前没有实现的一个主要原因是因为工艺水平没有达到,没有办法拿出这样的多孔片子,因为实现聚焦的话需要这些孔布得非常准,一旦有些结构缺陷的话光路就变了,成像可能就会乱七八糟,而且这种孔也非常的小,一个孔只有20微米,这样一块板子要有非常高精尖的工艺,也是非常难的,这是主要的技术突破点之一,需要把这样一些板子放在架子上面成像,X射线进去以后能够形成十字的像,这也非常困难,需要把板子嵌得非常好。现在国台张臣博士领导的团队已经能够做到这个。再就是科学级CMOS探测器,这也是我们需要突破的一个点,因为这种探测器之前并没有用于X射线探测,而且还要放到天上,这也是现在我们正在研究的。这些技术点也是限制了龙虾眼望远镜没有更早被研发出来的原因,因为这些技术之前没有得到突破。

厉光烈:发射上去以后等于是填充了X射线研究的空白,而且走到世界领先前列,你们的卫星发射之前别的国家是不是没有这方面的技术?

金驰川:是的,准确地说是填补了目前国际上软X射线大视场监视设备的空白。

厉光烈:为什么欧美国家不搞这种探测?

金驰川:之前这样的探测卫星是有的,只是没有办法做全天的监视,因为没有龙虾眼技术,所以没有办法把视场做得很大,就是拿一个小视场的望远镜去扫,一次一次地看不同的天区,最后拼成一个全天的图,之前的X射线波段主要是这种方式,现在有了龙虾眼技术以后可以在X射线波段同时看一个很大的天区,不用原来的拼接模式。

厉光烈:之前发射的慧眼卫星好像也是X射线的,和EP有什么不同?

金驰川:那个是基于编码孔径技术,他们也是X射线,但主要是硬X射线,能量会比我们高出一两个量级,但并没有实现X射线聚焦。这个设备的低能X射线探测器并不是大视场监视设备。EP追求的是大视场聚焦,所以我们主要是把龙虾眼望远镜和之前相似波段的全天监视设备相比。EP上面还带了一个后随望远镜,就是传统的沃特I型聚焦型望远镜,这个设备的灵敏度可以达到Swift卫星的后随望远镜的灵敏度的2倍左右。慧眼卫星与EP的一个本质的不同是不聚焦成像,而是针对某一个天区,收集那个天区所有的X射线光子,然后通过计算把不同的X射线源分辨出来,这个后期处理过程有一定不确定性,所以不如聚焦看到天图来得直接。

吴令安:这种软、硬X射线的辐射关系到不同的天体是吗?

金驰川:可以观测同样的天体,因为同样的天体在不同波段都有辐射,所以可以有光学、紫外线和软、硬X射线的辐射。

桂文庄:这种事件发生重点是哪一方面?

金驰川:可能软X射线携带的信息更多,就是要把信噪比和分辨率提高。

桂文庄:刚才已经谈过了几个技术难点,现在解决到了什么程度,距离上天还有多远?

金驰川:距离发射还有四年左右。

桂文庄:关键技术已经全部解决了吗?

金驰川:还没有,比如现在我们拿到的CMOS的尺寸仍然无法满足需求。

桂文庄:现在做到初样了吗?

金驰川:现在还没有到初样,关键技术需要进一步改进,目前还没有做到完整的系统测试。

桂文庄:集成到架子上已经做完了吗?

金驰川:已经做了原理样机。

桂文庄:那个精密度要求很高吧?是不是对振动敏感性很强?

金驰川:是的,所以对结构设计的要求也很高。

桂文庄:现在就是这样一个结构架子,需要保证精密度一点不变要求很高,包括热的变化、振动的变化,发射之前还有很多技术问题要克服。现在灵敏度高出一个数量级是一种估计是吗?

金驰川:是一种估计,但基本没有问题,因为聚焦方式和以前不一样。现在实验室里面做实验已经能够达到理论的灵敏度,但是后面还要做震动和热测试,发射以后或许会有一些指标上的差异,但是肯定会比现在的X射线全天监视设备的能力好很多。

吴令安:我参加过科技部的一个项目,就是深空探测定位,题目是微纳秒级的,和你们这个差得太远了。

金驰川:那个项目不太清楚,或许还只是一个设想,只是处于最初期的研究阶段。

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