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(fā)科學家設(shè)計出特殊的望遠鏡，讓人類能夠觀測宇宙中出沒無常、轉(zhuǎn)瞬即逝的神秘現(xiàn)象。

中科院國家天文臺近日介紹，中國科學家研制的一臺龍蝦眼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并公開發(fā)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(fā)（中科院國家天文臺供圖）

負責這一項目的國家天文臺凌志興博士介紹，該儀器搭載在中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制的空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星上，于7月27日發(fā)射升空，是為計劃于2023年底發(fā)射的愛因斯坦探針衛(wèi)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(xiàn)復雜的亮度變化，時隱時現(xiàn)。一些原本沒有X射線輻射的天體，會突然產(chǎn)生X射線輻射，例如正在吞噬恒星的黑洞。

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。“這就如同向水里扔一塊石頭，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(fā)（中科院國家天文臺供圖）

生物學家很早就發(fā)現(xiàn)，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(gòu)成，管道壁光滑且指向同一球心，這樣的結(jié)構(gòu)使得各個方向的光線在小方孔內(nèi)反射匯聚到視網(wǎng)膜上。1979年，美國科學家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。

但這一設(shè)想提出后，在很長時間內(nèi)都未能得以實現(xiàn)，直到微加工工藝提高后，科學家才逐漸研制出微孔龍蝦眼鏡片，上面布滿只有發(fā)絲般粗細的小方孔。

國家天文臺X射線成像實驗室自2010年起開始研發(fā)龍蝦眼X射線成像技術(shù)，經(jīng)過多年努力終于獲得突破。

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

“之前用其他方法制造的X射線聚焦望遠鏡的視場（即視野范圍）大概是地球上看月亮那么大的天區(qū)，而我們現(xiàn)在這個龍蝦眼望遠鏡大約能夠覆蓋1000個月亮那么大的天區(qū)，未來的愛因斯坦探針衛(wèi)星上將安裝12個這樣的望遠鏡，其視場可達到約1萬個月亮那么大。”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(qū)圖像（2022年8月攝）。 新華社發(fā)（中科院國家天文臺供圖）

他介紹，此次發(fā)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(fā)。

“我們在國際上首次提出將CMOS探測器應(yīng)用于空間X射線天文觀測并首次獲得成功實施。這是X射線天文探測技術(shù)上的一項重要創(chuàng)新。”凌志興說。

該領(lǐng)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(shù)將對宇宙X射線監(jiān)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(jīng)過十多年艱辛努力終于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(shè)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(xiàn)天體開展系統(tǒng)性巡天監(jiān)測；有望發(fā)現(xiàn)隱身的沉寂黑洞，并測繪宇宙黑洞的分布，研究其形成演化和物質(zhì)吸積過程；搜尋來自引力波事件的X射線信號并精確定位；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(xiàn)象。

據(jù)介紹，愛因斯坦探針計劃已吸引廣泛的國際關(guān)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。