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中国的“慧眼”,能看到什么?

发表时间:2022-08-22 09:16作者:网易新闻

导语:中科院高能物理研究院和德国图宾根大学的慧眼“卫星团队最近在某中子星X射线双星发现能量高达146千电子伏的回旋吸收线,对应超过16亿特斯拉的中子星表面磁场。


这是继2020年直接测量到约10亿特斯拉的宇宙最强磁场之后,“慧眼”卫星再次大幅度刷新最高能量回旋吸收线和宇宙最强磁场直接测量的世界纪录。超期服役的国产卫星“慧眼”创造了怎样的价值?又为何做到“廉颇老矣,尚能饭否”?

一、中子星为何引人注目?

中子星是大质量恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后可能的少数归宿之一。通常来说,中子星的出现来源于大质量恒星核聚变反应衰减后的引力坍缩,释放的引力势能将让物质受到重力牵引急速向核心坠落,转化为巨大的热能产生一次超新星爆炸。


配图:超新星爆发

在超新星爆炸的过程中,原恒星的大部分物质将会向外抛撒,爆炸后剩余质量较小的恒星将会成为白矮星;而当恒星的剩余质量超过钱德拉塞卡极限后(约1.44倍太阳质量),电子简并压力无法阻挡重力,将会坍缩为中子星;如果恒星剩余质量进一步超越奥本海默-沃尔克夫极限后(约3.2倍太阳质量),爱因斯坦广义相对论框架下基于中子简并压力的球体引力平衡将被打破,该天体将不可避免地成为黑洞。由于黑洞在一般状态下的不可观测性,具有较明显信号的中子星成了人类观测研究的良好对象。


配图:中子星艺术图

在中子星中,剧烈的重力压缩强行将电子并入质子转化成了中子,质量越高则收缩得越小,这使得一般情况下的中子星直径大约只有十几公里,密度高达每立方厘米十几亿吨(等同于原子核密度)。同时由于中子星保留了原恒星大部分的角动量但半径大大减小,这导致它有极高的自转速率。超高密度和超高转速成了中子星的最鲜明特征。

宇宙中的双星系统并不罕见,中子星也不例外。在中子星和普通的主序星(捐助者)组成的联星系统内,当捐助者距离中子星较近时,它的轻元素会以物质流的形式被吸往中子星,并在致密的中子星表面形成吸积的物质层,当物质积累和重力挤压到一定程度后就会开始核聚变反应,引发周期性的X射线爆发(周期取决于物质吸积速度),这就是“慧眼”卫星此次观测的形成机理。

二、“慧眼”号是一颗怎样的卫星?

“慧眼”号的全名为“硬X射线调制望远镜卫星”,呈立方体构型,总质量约为2500千克,装载四个探测有效载荷。其中“硬X射线”主要指穿透力强的X射线,例如中子星的X射线在穿越星际尘埃后,能被人类在太空中观测到的大部分都是硬X射线,而“调制”指我国科学家研发的信号还原成图像的技术,从而能够实现高精度追踪硬X射线相关天文现象。通过高精度仪器观测X射线爆发,得知强度和周期等信息,也能够准确估计中子星的质量和半径。


配图:“慧眼”卫星结构图

图源:中科院高能物理研究院

但事实上,单以“硬X射线”来命名“慧眼”其实并不完全,它还具备其他相关的高精度科学仪器,其中还包括对中、低能级别的软X射线进行观测,拥有极大的探测范围,覆盖了宇宙中众多类型的高能天体现象。

众多工具使得“慧眼”能够开展四方面的任务:一是进行巡天观测,监测和发现高能天体的新活动;二是通过观测高能天体的光变和能谱性质,加深对中子星和黑洞等致密天体的认识;三是通过软/硬X射线观测数据,研究宇宙深处各种高能天文现象;四是探索利用具有周期性X射线脉冲信号,进行航天器自主导航的技术和原理,对我国未来开展的深空探测计划打下了坚实的基础。

“慧眼”的突破性在于,宇宙中的X射线在射入大气时会受到极大的阻碍和污染,不同于地面上镜面望远镜受制于其面积和视场,在巡天过程中,“慧眼”的探测面积更大、效率更高、数据更准确。


配图:“慧眼”卫星观测到146千电子伏信号

X射线爆发源自于中子星联星系统内物质迁移带来的核聚变反应,这个天文现象本身以往在多个星系中被发现,根据爆发出的光度判断,天文学家此前推测其爆发的磁场强度会很高,但并没有直接的测量数据进行验证。

而“慧眼”卫星的存在填补了空白,它对银河系内第一颗超亮X射线爆发中子星的爆发进行了宽能段观测,发现能量高达146千电子伏的回旋吸收线,回旋吸收线处的能量对应的磁场强度就是中子星表面的磁场强度,对应超过16亿特斯拉的中子星表面磁场。这不仅是迄今宇宙天体磁场直接测量的最高纪录,而且也首次在超亮X射线源中直接测量了其中子星的表面磁场。以真实的测量数据成功验证了针对联星系统中X射线爆发的理论解释。

三、卫星缘何能“延寿”?

“慧眼”卫星于2017年6月在酒泉卫星发射中心发射,在服役期间可谓斩获不小:2017年8月,成功监测了双中子星合并产生引力波的事件;2021年7月,观测到了黑洞双星爆发过程;同月也观测到了太阳耀斑的高能辐射过程……按照设计,它的寿命只有四年,由于它的运行状态一切正常,各项性能依旧良好,预期卫星还可以稳定运行数年。


配图:“慧眼”卫星在轨示意图

事实上,在太空探索中,对飞行器进行“延寿”的操作并不鲜见,例如国际空间站的原本设计寿命是到2015年,而美国目前打算将其小修小补运作至2030年;与“慧眼”卫星同属一个科研规划的“悟空”号也将寿命延长至六年;“旅行者一号”更是向地球传输信号至今……究竟在什么情况下,给卫星“延寿”是合适的?

任何宇航飞行器都是一个系统性工程,是性能和成本的权衡。在项目开始时,一般根据需要完成的科学任务目标,为它设定一个寿命期限,各个子系统将按照这个期限设计制造,因此增加卫星设计寿命意味着成本将大幅增加。

但宇航科技是最尖端的工业部门,产品质量极其可靠,倘若各个子系统运行良好,没有很多意外需要调用飞行器设计时的冗余度,其服役期限就能大大超出设计寿命,能够极大节约重新制造和发射新卫星的成本。总的来说,世界各国都会致力于尽量用满冗余度来延长卫星的工作时间,获得更多的观测成果。

结语:

作为空间科学先导专项一期计划的卫星,“慧眼”号与同属该计划的“墨子”号、“悟空”号都超额完成了科研任务,验证和拓展了相关科学理论,更为我国未来的深空探测计划打下良好基础。在此也预祝专项二期计划的爱因斯坦探针卫星和增强型X射线时变与偏振空间卫星能青出于蓝。




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