中国将发射“爱因斯坦探针卫星”，给宇宙中的黑洞普查定位

近期，中国科学院发布消息，我国计划在2023年底发射爱因斯探针卫星，有望捕捉超新星爆发出的第一缕“光”，帮助搜寻和精确定位引力波源，发现宇宙中更遥远、更暗弱的天体和转瞬即逝的神秘现象。这是一颗什么类型的卫星？有哪些独特绝招？为什么用爱因斯坦的名字命名？

爱因斯坦探针卫星是一颗X射线空间天文台。说到X射线，你肯定会想到我们体检时，用来做胸透检测的仪器，能够隔着衣服对胸腔拍照。其实，X射线也是一种电磁波。宇宙中很多高能天体都会产生X射线波段的电磁辐射。比如当恒星走向生命终点时的超新星爆发，比如两个中子星发生并合，再比如黑洞吸积周围物质也会产生强烈的X射线信号，甚至我们的太阳都时刻在产生X射线波段的电磁波。可以说，X射线波段除了可以在生活中用于体检之外，还可以对产生X射线的高能天体进行“体检”，通过分析高能天体产生的X射线信号，对高能天体的物理过程进行刻画，增进我们对宇宙形成与演化的科学认知。所以X射线探测在天文领域非常重要，但是我们的大气层会吸收X射线信号，因此X射线天文台建立在太空中。在1996年美国发射了钱德拉X射线天文台，2017年我国发射了“慧眼”硬X射线调制望远镜，为探测神秘的X射线宇宙作出了重要贡献。

配图来自图虫网

对于天文观测而言，往往希望能够看得范围越大越好、目标越暗越好，反映在设计指标上，就是希望望远镜视场尽可能大、灵敏度尽可能高，这样才能把快速地把宇宙一览无余，实时监测宇宙中的动态变化现象。但对于望远镜设计，视场和探测灵敏度是一对存在矛盾的指标，大视场望远镜往往很难实现高的探测灵敏度，而探测灵敏度高的望远镜往往很难实现大视场探测，就像鱼和熊掌不可兼得。爱因斯坦探针卫星的绝招就是同时实现了大视场和高灵敏度探测，它的核心载荷是1台龙虾眼望远镜。生物学家很早就发现，龙虾的眼睛和其他动物不一样，由许许多多方孔形状的微型管道构成，管道壁光滑且指向同一球心，这样的结构使得各个方向的光线在小方孔内反射汇聚到视网膜上。

1979年，美国科学家从中获得灵感，提出模拟龙虾眼制造望远镜，让X射线通过反射聚焦成像。但这一设想提出后，在很长时间内都未能得以实现，直到微加工工艺提高后，科学家才逐渐研制出微孔龙虾眼镜片，上面布满只有发丝般粗细的小方孔。国家天文台自2010年起开始研发龙虾眼X射线成像技术，经过多年努力终于获得突破。用其他方法制造的X射线聚焦望远镜的视场大概是地球上看月亮那么大的天区，而龙虾眼望远镜大约能够覆盖1000个月亮那么大的天区，爱因斯坦探针卫星上将安装12个这样的望远镜，其视场可达到约1万个月亮那么大。

爱因斯坦探测卫星独特的设计，使得它能够对宇宙中大量变幻莫测的X射线天文事件进行探测，包括产生引力波的双中子星并合事件。爱因斯坦探针卫星可以与LIGO等地面引力波探测仪器合作，对引力波事件进行精确定位。爱因斯坦探针卫星还能探测到黑洞捕获恒星发出的X射线信号，对宇宙中的黑洞进行普查定位，回答黑洞在宇宙中是否普遍存在等科学问题。引力波和黑洞是爱因斯坦广义相对论理论皇冠上的两颗最亮的明珠，因此爱因斯坦探针卫星的命名也是向科学巨人爱因斯坦致敬。

爱因斯坦探针卫星是我国空间科学战略性先导科技专项的一颗卫星。此前发射的“夸父一号”卫星、“慧眼”卫星、“悟空”卫星、“墨子”卫星都是空间科学卫星大家族中的成员。面向未来，我国科学家规划了“极端宇宙”、“时空涟漪”、“日地全景”、“宜居行星”、“太空格物”五大空间科学前沿探索路线图，为认知宇宙奥秘贡献中国力量。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：李明涛

审核：韩文标（中科院上海天文台 研究员） 

出品：中国科协科普部

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