“慧眼”衛(wèi)星示意圖 中國科學(xué)院高能物理研究所提供
“天極”望遠鏡示意圖 中國科學(xué)院高能物理研究所提供
2017年6月15日成功發(fā)射的“慧眼”衛(wèi)星，是我國首顆X射線天文衛(wèi)星?！盎垩邸毙l(wèi)星對銀河系開展巡天掃描，黑洞、脈沖星、伽馬暴……這些未解之謎都是“慧眼”的研究范圍?！盎垩邸毙l(wèi)星是中國空間科學(xué)先導(dǎo)專項中最貴、最重、科學(xué)儀器最多的衛(wèi)星，曾有科學(xué)家評論，它將改變空間高能天文研究長期依賴國外衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的狀況。
“慧眼”衛(wèi)星在軌測試和正式交付以后，取得了黑洞及中子星雙星觀測、伽馬射線暴、引力波電磁對應(yīng)體探測等多項科研成果。例如，2017年10月16日，雙中子星并合產(chǎn)生引力波聯(lián)合觀測成果全球發(fā)布，“慧眼”衛(wèi)星參與了觀測并發(fā)揮了重要作用，對引力波高能電磁輻射對應(yīng)體進行監(jiān)測并確定了伽馬射線的流量上限。2020年9月，“慧眼”衛(wèi)星在高于200千電子伏特（keV）的能段發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星系統(tǒng)的低頻準周期振蕩（quasi-periodic oscillation，QPO），這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量最高的低頻QPO現(xiàn)象。研究表明，其起源于黑洞視界附近的相對論噴流（向外高速運動的等離子體流）的進動，為解決一直以來存在爭議的低頻QPO物理起源問題提供了重要依據(jù)。日前，“慧眼”團隊宣布發(fā)現(xiàn)了第一例與快速射電暴成協(xié)的非熱X射線暴并且證認其來自于具有超強磁場的年輕中子星。這些成果標志著“慧眼”衛(wèi)星開拓了對黑洞和中子星的X射線寬能段光變和能譜研究的新窗口。
新一代“慧眼”——增強型X射線時變與偏振（eXTP）空間天文臺也在研制過程中，預(yù)計于2027年前后發(fā)射升空，將有望成為在2027—2035年間該領(lǐng)域國際領(lǐng)先的旗艦級X射線空間天文臺。eXTP是由中國科學(xué)家發(fā)起和主導(dǎo)的重大國際合作空間科學(xué)項目，合作組成員來自中國、意大利、德國、西班牙、英國、法國、荷蘭、瑞士等二十多個國家、地區(qū)和組織的一百多個研究單位。它的主要科學(xué)目標可以概括為“一奇二星三極端”，“一奇”是指黑洞，“二星”即中子星和夸克星，“三極端”是指極端引力條件下的廣義相對論、極端磁場條件下的量子電動力學(xué)和極端密度條件下的量子色動力學(xué)等理論。這些觀測數(shù)據(jù)有望為終極回答黑洞附近會發(fā)生什么，真空量子漲落產(chǎn)生什么，中子星內(nèi)部是什么物質(zhì)狀態(tài)等重大科學(xué)問題作出貢獻。
“拉索”：在世界屋脊探索宇宙線
在海拔4410米的四川省稻城海子山，占地1.36平方公里、投資超過10億元人民幣的高海拔宇宙線觀測站LHAASO已經(jīng)初步建成，并開始作出重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。它的目標是尋覓來自宇宙深處的“天外來客”——宇宙線。
高能宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，其能量跨度為109~1020電子伏特，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子。宇宙線彌漫在整個宇宙，攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，它是“銀河隕石”，是傳遞“宇宙大事件”的信使，是發(fā)現(xiàn)“宇宙加速器”的探針。自1912年被發(fā)現(xiàn)以來，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。在宇宙線的研究中，發(fā)現(xiàn)了許多基本粒子，開創(chuàng)了粒子物理學(xué)，誕生了5位諾貝爾獎得主。
這個被昵稱為“拉索”的大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，屬于第三代大視場巡天伽馬天文探測器，與位于西藏羊八井的宇宙線觀測站為代表的第一代和第二代伽馬射線巡天望遠鏡相比，不僅更大，而且更加先進。建成之后，將是世界上探測最高能量的伽馬射線的最靈敏的探測器。它由三個陣列、四種探測器組成：水切倫科夫探測器陣列，由3個大型水池構(gòu)成，布置3000路探測單元，陣列面積為7.8萬平方米；地面簇射粒子陣列，由5195路電磁粒子探測器和1171路繆子探測器組成；廣角切倫科夫望遠鏡陣列，由12臺寬視場切倫科夫成像望遠鏡組成。
LHAASO有三個科學(xué)目標：探索宇宙線起源、對伽馬射線源進行巡天普查、暗物質(zhì)探測等新物理前沿研究。建成后，將在三個方面達到世界領(lǐng)先水平：一是具有超高能伽馬射線探測靈敏度，在高于1012電子伏特的能量區(qū)域，比歐洲同類探測計劃高十幾倍，能夠長期占據(jù)這類實驗研究領(lǐng)域的制高點。二是具有甚高能伽馬射線巡天普查靈敏度，比美國HAWC實驗靈敏度高三四倍。三是具有寬廣能量覆蓋度的宇宙線能譜和成分精確測量裝置。
“拉索”邊建設(shè)邊運行，2019年4月首批探測器投入科學(xué)觀測。首批投入觀測的一號水切倫科夫探測器陣列的巡天靈敏度比國際上最高靈敏度的同類裝置高出30%，可在伽馬暴高能輻射探測、銀河系外耀變源探測與觀測、銀河系內(nèi)伽馬射線源的深度觀測等方面與國際同類實驗展開合作研究。
“阿里”：探測宇宙最初的引力波
由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭、國內(nèi)多家科研單位參與的中美合作項目“阿里原初引力波探測實驗”也建在青藏高原上。阿里地區(qū)有獨特的觀測條件，是地球上迄今為止唯一一個可以實現(xiàn)北天區(qū)原初引力波觀測的地點。未來，它或?qū)⑴c南極觀測站、智利觀測站一道，成為三大觀測原初引力波的世界級臺址。
原初引力波是指宇宙原初時期產(chǎn)生的引力波，它蘊含著宇宙起源的奧秘，例如宇宙究竟是不是大爆炸產(chǎn)生的？是不是有過急劇膨脹的暴脹時期？這些問題都可能在原初引力波中找到答案。同時，原初引力波通常起源于極早期宇宙時空的量子漲落，對其進行研究有助于推進人們對量子引力等基本物理問題的理解。
引力波的不同波段需要不同類型的探測方法才能實現(xiàn)，無法用一種探測方式實現(xiàn)引力波全波段探測。美國激光干涉引力波觀測臺（LIGO）可以探測到恒星級質(zhì)量黑洞以及中子星并合產(chǎn)生的引力波，但原初引力波產(chǎn)生于宇宙誕生之初時空的劇烈膨脹，隨著宇宙演化至今，已經(jīng)成為引力波背景，只能用微波望遠鏡進行探測。對原初引力波的精確測量，是引力波探測全新的波段、有望成為下一個取得突破的方向。阿里計劃分為兩步，第一步是在海拔5250米建設(shè)一臺在微波波段極其靈敏的“阿里一號”望遠鏡。之后，將在6000米處建設(shè)更加靈敏的望遠鏡陣列“阿里二號”，以拓展觀測頻段，提高觀測精度。
“天極”：“天宮”上的伽馬射線暴“捕手”
電磁波按波長從長到短，分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線等。伽馬射線波長最短、能量最強，其能量比可見光大幾十萬倍。宇宙中的伽馬暴來源于恒星坍塌時發(fā)生的劇烈爆炸——爆炸發(fā)生時，恒星中的物質(zhì)以近乎光速噴出，形成射線暴，其亮度超過全宇宙其他天體的總和，輻射能量與太陽一生（百億年）的總能量相當。因為伽馬射線暴攜帶著諸多信息，自其1973年被發(fā)現(xiàn)后，一直是天文學(xué)和物理學(xué)的研究焦點和前沿。1997年以來，伽馬暴的觀測結(jié)果4次被《科學(xué)》雜志評為年度世界十大科技成就。
“天極”望遠鏡的大名是中歐合作“伽馬暴偏振儀（POLAR）”，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位共同研制。它是天宮二號唯一搭載的天文載荷，于2016年9月15日發(fā)射升空，其偏振探測器安裝于天宮二號空間實驗室的艙外，背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發(fā)過程中產(chǎn)生的伽馬光子，并測量它們的偏振性質(zhì)。
“天極”是目前國際上最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，在軌運行期間，共探測到55個伽馬暴，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》上，這些數(shù)據(jù)將有助于人類理解黑洞和中子星合并、太陽極端爆發(fā)等天體現(xiàn)象，從而了解宇宙如何演變，檢驗愛因斯坦的廣義相對論。
不僅如此，在軌實驗過程中，“天極”還拓展了脈沖星和太陽耀斑等的探測任務(wù)。其中，脈沖星探測與星際導(dǎo)航息息相關(guān)，是實現(xiàn)星際旅行的關(guān)鍵步驟。“天極”是國內(nèi)首次在軌觀測到脈沖星，且成功實現(xiàn)利用脈沖星信號進行導(dǎo)航技術(shù)驗證的實驗項目。后續(xù)的POLAR-2也已經(jīng)成功入選中國空間站首批科學(xué)實驗，預(yù)期2024年左右發(fā)射運行，其科學(xué)能力將有大幅度提高，有望為最終解決黑洞的形成和極端相對論噴流產(chǎn)生的重大科學(xué)問題作出關(guān)鍵貢獻。
探索極端宇宙：計劃中的“國際大事情”
我國高能物理學(xué)家和天文學(xué)家正在謀劃領(lǐng)銜開展一項國際大計劃——探索極端宇宙國際大科學(xué)計劃。
這一計劃由中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心提出，將利用中國載人空間站和大型衛(wèi)星平臺的應(yīng)用資源和機遇，在2025年前后將相關(guān)科學(xué)設(shè)備發(fā)射入軌。研究將致力于探索當前空間天文領(lǐng)域國際普遍關(guān)注的，與暗物質(zhì)、粒子加速、超大質(zhì)量黑洞、強引力場、強磁場和極高密度相關(guān)的6個重要科學(xué)問題，即：極端起源、極端能量、極端天體、極端引力、極端磁場和極端密度。
以上每一個問題的解決都可能帶來人們對物質(zhì)世界基本規(guī)律的突破性認識，也將人類對宇宙的演化和極端天體及其活動的認識推進到一個新高度。
這一計劃由兩個具體任務(wù)組成：將放置于中國空間站的高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD）項目，和前文提到的“慧眼”二代——基于大型衛(wèi)星平臺的增強型X射線時變與偏振（eXTP）空間天文臺項目。
HERD將以前所未有的靈敏度搜尋暗物質(zhì)，揭示宇宙線起源的世紀之謎，以前所未有的視場開展高能伽馬射線全天巡天和監(jiān)視，并探索脈沖星導(dǎo)航的新體制。HERD建造完成后，計劃放置于中國空間站艙外的大型掛點，并開展10年連續(xù)觀測。其探索極端宇宙的核心科學(xué)能力將長時間保持大幅度國際領(lǐng)先，從運行到結(jié)束每個階段預(yù)期都有重大科學(xué)成果。
這兩個項目自從2007年提出后，預(yù)研超過10年，已吸引了國際知名科學(xué)家和重要研究團隊的積極參加，與意大利、德國、西班牙、瑞士、英國、荷蘭、法國等多個國家和地區(qū)的科研機構(gòu)和科學(xué)家進行了研討，在較大范圍內(nèi)達成了一致的合作意向，聯(lián)合開展了科學(xué)目標的深化研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的工作，正在進入項目的方案設(shè)計階段。
茫茫宇宙，探索永無止境。在這樣的探索中，中國科學(xué)家理應(yīng)作出更大的貢獻，展示出一個負責(zé)任大國的國際形象。
（作者：劉紅薇，系中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員；尹倩青，系助理研究員；王晨芳，系宣傳主管）
（源自：光明日報 2021年4月8日 第16版 新科技）
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