星际“神探”捕捉“宇宙烟火”

2024年1月9日，一颗名为爱因斯坦探针（Einstein Probe，简称EP）的科学卫星从我国西昌卫星发射中心由长征二号丙运载火箭发射升空。

作为一颗面向高能天体物理、时域天文学的X射线科学探测卫星，它有哪些相关科学背景？它的科学目标是什么？优势特点在哪里？现在运行情况如何？本文将一一为你揭秘。

宇宙中的神秘线索

生活在地球上，你可能对地球大气习以为常。实际上，地球大气一直在吸收高能电磁辐射来保护我们和地球上的其他生物。直到20世纪60年代，人造卫星被送上太空，人类对宇宙天体的研究才从地面可观测到的可见光、射电波段扩展到X射线波段。此后，天文学进入到多波段时代。

X 射线肉眼根本看不见，通常温度很高的物体会辐射 X 射线，例如太阳的外层大气被称为日冕，它的温度超过一百万摄氏度，会发出大量的 X 射线。1949年，人类探测到的第一个X射线信号就来自日冕。除了极高温度，天体的X射线辐射还产生于极强的引力场、磁场等极端物理条件的区域和过程，比如双中子星合并、超新星爆发等。

许多宇宙天体在X射线波段闪闪发亮，X射线已成为人类认知宇宙不可或缺的重要“信使”。研究X射线，可以帮助我们了解其产生的机制、过程和环境。

携带天体信息，被称为天体“信使”的除了电磁辐射，还有引力波、中微子和宇宙线。进入21世纪，科学家已不再满足于描绘宇宙的多波段全景图像，天文学的重点转向构成这些宇宙图像的天体是如何随时间变化，即时域天文学。它与成像和光谱观测，共同成为人类认知宇宙的三大基本电磁波观测方法。2017年，以GW170817引力波事件为标志，时域天文学迈入了多信使的黄金时代。

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GW170817引力波事件

美国激光干涉引力波天文台（LIGO）联合意大利室女座天文台（Virgo）首先观测到引力波信号GW170817。此后，全球约70个空间及地面望远镜从γ射线、X射线、紫外、红外、射电等多个波段开展了后续观测，最终证实该引力波是由两个中子星并合产生的。双中子星并合不仅能产生引力波，还能产生电磁波（含X射线等），即引力波电磁对应体。

引力波——“时空的涟漪”

根据爱因斯坦广义相对论：时间与空间构成一个整体，即时空；物质使时空弯曲，在一些现象中（如中子星并合），致密星（大质量天体）周围的质量分布发生变化，使时空扭曲，以光速向外传播的动态过程，产生类似水面泛起的“涟漪”，即引力波。

爱因斯坦探针“绝技”傍身

由中国科学家主导研制的爱因斯坦探针升入太空，主要有下面这些科学目标：

·发现宇宙中的X射线暂现和爆发天体，监测已知天体。

·发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发，测绘黑洞的分布，理解其起源、演化及物质吸积过程。

·搜寻来自引力波源的X射线信号，以增进对极端致密天体及其并合过程的认知。

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为什么叫“爱因斯坦探针”？

这与其中两个科学目标聚焦于爱因斯坦广义相对论的预言（黑洞和引力波）有关。黑洞虽然不发光（无法直接探测），但当物质被拉入黑洞，在黑洞周围释放能量的剧烈过程会发出 X射线在内的各种光，因此可以被间接探测。而引力波电磁对应体信号（如X射线）则包含了许多引力波所没有的信息，如精确的空间位置、电磁辐射能量、光谱、光变等，也将有助于人们深入了解大质量天体的特性。

作为探针，爱因斯坦探针的探测目标是X射线暂现天体。暂现和剧烈爆发天体是宇宙中壮观而又神秘的“烟火”。暂现源的类型很多，如黑洞X射线双星、活动星系核、超新星、伽马射线暴、引力波源等。它们在时间和空间上不可预测，且转瞬即逝。

要在浩瀚的宇宙中快速精准地捕捉这些绚丽“烟火”，并展开深入研究，需要观测设备既能“看得广”又能“看得细”。爱因斯坦探针的两个科学载荷：宽视场X射线望远镜（WXT）和后随X射线望远镜（FXT）拥有的“绝技”，就很好地实现了“广”与“细”的配合。

绝技1：拓宽视界看得广

WXT之所以能实现高灵敏度、大视场的巡天监测，离不开它所采用的龙虾眼光学X射线聚焦成像技术。

X射线很难像可见光一样通过透镜折射或者反射聚焦，很容易穿透材料（硬X射线）或者被材料吸收（软X射线）。如果向水里扔一个石子，扔的角度太大会沉入水底，但如果以一个很小的近乎平行于水面的角度把石子撇出去，则可以在水面弹跳起来。软X射线就具有类似这样的小角度入射（约1°）的反射性质。利用掠入射这一特性，加之从龙虾眼睛的微结构中汲取到的灵感，1979年科学家就设计出了用于宽视场X射线聚焦成像的龙虾眼光学。但直到近些年，随着微孔光学镜片工艺水平的提升，这一技术的应用才逐步得以实现。

完全由我国科学技术人员自主研发的WXT，是国际上龙虾眼光学聚焦成像技术的首次大规模应用。WXT的探测灵敏度比现有在轨类似设备高一个多数量级，12个模块的组合配置使得视场进一步拓宽，可达到全天的1/12（约为地球看月亮那么大的天区的1万倍）。

绝技2：高分辨率看得细

FXT的主要功能是对WXT发现的暂现和爆发源进行快速后随定点观测，精确定位，同时测量X射线的光变和能谱。

FXT采用较为通用的Wolter-I型X射线望远镜设计，具有高空间分辨率，可以分辨出距离很近的两个源。欧洲航天局（ESA）和德国马普地外物理研究所（MPE）都参与了FXT的研制。其双筒望远镜的构型方案不但提升了有效面积，还可以互为冗余，相互认证，从而进一步提高望远镜的可靠性和科学产出。

绝技3：快速通讯

爱因斯坦探针的另一大特点和优势，是它具备快速的通讯（下传和上注）能力，可实现星地速联，触发暂现源警报，引导其他望远镜多波段、多信使的后随观测。

太空“捕捉”卓有成效

目前，爱因斯坦探针已经完成了各项在轨测试，性能均实现设计目标，按照计划正在开展两个望远镜的定标观测。截至本文发稿时，已探测到新的暂现源39例、恒星耀发316例，发布引导国际多波段望远镜后随观测的电报31条。初步结果显示，探测到的新暂现源具有丰富的起源类型。

未来，在完成在轨测试后，爱因斯坦探针将转入科学运行阶段，同时开展国内外各大望远镜间的联合观测，希望能获得一批重要的天文发现，填补国际上聚焦型大视场观测设备在时域天文学多波段中软X射线波段的空白，快速提升我国在国际天体物理领域的水平。

作者单位 国家天文台EP项目组