星际侦探执勤，中国“爱因斯坦探测器”专门解开宇宙高能奥秘

星际侦探执勤，中国“爱因斯坦探测器”专门解开宇宙高能奥秘

太空中还有另一双眼睛，可以探知宇宙的奥秘。 这次不是一个或一对，而是“龙虾眼”。 它的任务是观察整个宇宙的软 X 射线耀斑。

爱因斯坦探测器卫星| 中国科学院微小卫星创新研究院

2024年1月9日15时03分，中国在西昌卫星发射中心通过长征二号丙运载火箭将“爱因斯坦探测器”（Probe，简称EP）卫星送入预定轨道。

长征二号丙运载火箭搭载爱因斯坦探测卫星点火升空 | 新华社发（凌斯琴 摄）

爱因斯坦探测器是中国科学院空间科学先导工程二期工程。 它具有三个主要科学目标：

它是专门针对时域天文学设计的X射线天文探测卫星。 具有监测视场大、响应速度快、灵敏度高、空间分辨率高等特点。

词汇表

时域天文学是天文学的一个分支，研究天体随时间的变化和演化。 它涉及一些极端而神秘的天文现象，如超新星、伽马射线爆发、黑洞合并、引力波等。时域天文学可以帮助我们了解宇宙中的物理过程，探索天体的本质和起源，例如：如黑洞、中子星和恒星。

该卫星由中国科学院微小卫星创新研究院研制，欧洲航天局（ESA）、马克斯·普朗克地外物理研究所（MPE）、法国航天局（CNES）等参与。

为什么叫“爱因斯坦探测器”？

明明观测到X射线，为何又被称为“爱因斯坦探测器”卫星？ 和爱因斯坦有什么关系？

X射线是高能电磁波，通常在自然界中由高能物理过程产生。 在地球上生产它们极其困难，但在宇宙中却有很多。 例如黑洞吞噬周围物质、双中子星合并、超新星爆炸等。

不难看出，X射线往往伴随着天体上的“暴力事件”或者与一些致密天体有关。 通过观察和研究X射线信号，有望了解其产生的来源、环境和机制。

黑洞吞噬恒星产生X射线艺术画 | 标记/照片

其中最难以捉摸的是所谓的瞬态源，它们是出现很短时间然后迅速消失的天体。 它们通常伴随着剧烈的能量释放过程，为研究极端条件下的物理过程提供了难得的机会。

临时源的类型有很多种，如超新星、伽马射线暴、黑洞潮汐星撕裂事件、快速射电暴、引力波源等。它们的爆发持续时间从几毫秒到几个月不等，有的以单次爆发的形式出现。或者作为周期性或随机发生的重复突发。

也许你还记得2017年8月17日的一次宇宙碰撞。当时，引力波观测站LIGO和Virgo是第一个观测到引力波信号的。 随后，全球70多个天文台，包括多台太空望远镜，迅速展开观测，持续追踪与该事件相关的电磁波信号。

首先观察到的是伽马爆发，随后是可见光、红外光和紫外光。 第9天，X射线源被捕获。 最终成功锁定引力波源。 它们是由两颗中子星碰撞产生的！ 这一事件也被认为是人类天文学迈向“多信使”时代的里程碑。

2017年8月17日两颗中子星碰撞产生引力波事件，类似的高能物理事件也是“爱因斯坦探测器”的目标 | NASA 太空/CI 实验室

临时源的探测需要使用高灵敏度、高时间分辨率、大视场的望远镜进行全天域监测，捕获其信号，并及时发出预警，引导其他设备进行后续监测观察。

“爱因斯坦探测器”是专门用于探测临时光源的望远镜。 它关注的问题包括：黑洞如何吞噬物质？ 什么力量驱动黑洞喷流？ 哪些事件可以产生引力波以及如何产生？ 恒星作为超新星爆炸时会经历哪些过程？

这些极端天体和极端事件都与爱因斯坦的广义相对论有关，因此这颗卫星被命名为“爱因斯坦”也不难理解。

什么是“龙虾眼望远镜”？

目前常用的X射线望远镜主要有线光学型（准直仪型）和聚焦成像型（掠射型）。

例如，中国的硬X射线望远镜（HXMT，即“智慧眼”）就采用了准直器成像系统。 该方法比较容易实现，但目标的空间定位精度较差。

“慧眼”卫星上的高能探测模块| 中国科学院高能物理研究所

NASA的钱德拉X射线望远镜采用掠射聚焦成像方法来改变X射线光子的传播方向，使其像光学望远镜一样聚焦和成像。 改变光路的方法最终是反射，而不是像凸透镜那样是折射。

这需要制作数十到数百个“套筒”状反射表面作为 X 射线光子的通道。 而且，由于X射线的波长很短，需要将反射面的波动控制在一个原子直径左右，这给加工带来了困难。 知道。

钱德拉X射线望远镜掠聚焦成像光路示意图|NASA、、

线性光学X射线望远镜具有更大的能量范围和更宽的视场，但针对性较差，收集各个方向的信号。

聚焦成像X射线望远镜方向性强，成像精度较高，但视场较小（通常小于1°），观测效率低，建造成本高。

那么，有没有办法兼顾双方，实现大视场的高精度监控呢？

毕竟，如果宇宙中突然出现X射线源（宇宙中潜在的新极端事件），首先必须尽快探测到它，然后才能对其进行有针对性的深入观测。

“爱因斯坦探测器”采用了一种非常特殊的光学技术——“龙虾眼”。 其独特的光学结构恰恰可以实现这一点。

不用说，这是仿生学的另一个应用。

龙虾的眼睛比较特别。 它们位于触角的底部，由数千只单眼组成。 它们依靠反射而不是折射形成图像，因此被称为反射复眼。

每个单眼都有一个中空的四棱锥结构，形成一个微型方管。 管壁光滑，可将入射光反射到视网膜上。 数以千计的方形微管沿着球形整齐排列，凸显出极强的聚光能力，将来自四面八方的光线汇聚到它们凸球形的视网膜上。

这样一项对动物眼睛的研究引起了天文学家的注意。 1979年，罗杰·安吉尔提出了“龙虾眼X射线望远镜”，可以实现理论上无限视场的X射线聚焦成像望远镜。

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龙虾眼睛结构聚焦成像原理示意图| 中国科学院微小卫星创新研究院

两套非常不寻常的望远镜

作为高度专业的X射线空间望远镜，爱因斯坦探测卫星携带两套主要科学有效载荷：宽视场X射线望远镜（Wide-field X-ray，WXT）和后续X射线望远镜。 （上 X 射线，FXT）。

前者是看得宽广，后者是看得狭隘。

“爱因斯坦探测器”卫星宽视场X射线望远镜（龙虾眼望远镜）| 中国科学院微小卫星创新研究院/水哥

宽视场X射线望远镜采用“龙虾眼”技术。 基于微孔光学技术（Micro-pore，MPO）的“龙虾眼望远镜”一共有12台，每台可以覆盖约300平方度的天空面积。 12个单元拼接在一起，整个WXT可以一次性聚焦不小于3600平方度的天空面积，相当于整个天空的1/11。

观察视场巨大，灵敏度高，目标成像精度优于角分。 这是前所未有的、完美的X射线瞬时观测能力。

宽视场X射线望远镜结构图| 中国科学院微小卫星创新研究院

爱因斯坦探测卫星将在距地面600公里、倾角约29°的轨道上运行，背对太阳进行观测。 扫描整个天空只需要几个小时。

有了这样的效率，如果再次发生两颗中子星合并、超新星爆炸或黑洞“吃掉”恒星等事件，闪烁的X射线就可以很容易地被捕获。

后续X射线望远镜结构示意图| 中国科学院微小卫星创新研究院

跟踪X射线望远镜，顾名思义，是用于跟踪观测的。 它由另外两台望远镜组成，可以在“龙虾眼”发现临时源后3分钟内指向目标，并在第一时间以更准确的方式进行观测。

它采用掠射X射线成像系统，由中科院高能物理研究所负责，中科院理化所、欧洲航天局和马克斯联合研制。普朗克地外物理研究所。 其定位精度将达到角秒级，视场达到60角分，角分辨率达到30角秒。

可见FXT是一台真正的“望远镜”。 WXT发现“可疑目标”后，可以立即锁定并放大！

全自动X射线观测台

“爱因斯坦探测器”的目标是寻找宇宙中突然发出的X射线源。 它们在哪里以及何时发生，没有人知道。 这种守候等待的观察方式，不仅需要增大视野，还需要敏捷性。

“爱因斯坦探针”拥有一整套自动化操作解决方案，帮助它成为一名优秀的猎手。

连续两次 WXT 巡天和明亮 X 射线临时源（绿色圆圈所示）的计算机模拟 | 中国科学院国家天文台

一旦WXT发现临时X射线源，卫星上的机载计算机将实时计算其天体位置，并向卫星平台发送指令进行指向机动，使FXT能够在3分钟内瞄准新的爆发源观察。

仅仅依靠自己可能还不够。 需要招募一些帮手。

EP卫星将立即通过互联网向全球发布突发天文事件预警，并指导国内外天文台联合开展多波段甚至多信使跟踪观测。 为了提高可靠性和实时性，卫星还将向地面接收站（VHF频段）发布预警信息。

此外，还可以利用北斗卫星导航系统的短信功能发送或接收其他项目观测到的突发天文事件。 例如，如果LIGO发现引力波事件，我们可以利用北斗短消息将相关信息上传到EP卫星，引导其快速开展后续X射线观测。

这项中国独有的技术让“爱因斯坦探测器”如虎添翼，成为自动化空中天文观测站。

爱因斯坦探测卫星灵敏度全球名列前茅 | 中国科学院国家天文台

“爱因斯坦探测器”项目受到国际社会广泛关注。 包括“龙虾眼”光学系统在内的一系列创新技术应用，将为天文X射线观测领域带来巨大变革。

“爱因斯坦探测器”具有巨大的科学潜力，高能时域天文学也有广阔的舞台。 我们期待它的精彩表现。