中國(guó)科學(xué)家打造觀(guān)測(cè)宇宙的“龍蝦眼”

新華社北京9月28日電(記者喻菲、楊春雪)大自然讓龍蝦進(jìn)化出奇異的眼睛，繼而又啟發(fā)科學(xué)家設(shè)計(jì)出特殊的望遠(yuǎn)鏡，讓人類(lèi)能夠觀(guān)測(cè)宇宙中出沒(méi)無(wú)常、轉(zhuǎn)瞬即逝的神秘現(xiàn)象。

中科院國(guó)家天文臺(tái)近日介紹，中國(guó)科學(xué)家研制的一臺(tái)龍蝦眼X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡已成功獲得一批天體的X射線(xiàn)實(shí)測(cè)圖像和能譜。這是國(guó)際上首次獲得并公開(kāi)發(fā)布的寬視場(chǎng)X射線(xiàn)聚焦成像天圖。

負(fù)責(zé)這一項(xiàng)目的國(guó)家天文臺(tái)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(yàn)衛(wèi)星上，于7月27日發(fā)射升空，是為計(jì)劃于2023年底發(fā)射的愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星開(kāi)展多項(xiàng)在軌實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的“探路者”。

專(zhuān)家介紹，宇宙中的天體在X射線(xiàn)波段大多呈現(xiàn)復(fù)雜的亮度變化，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。一些原本沒(méi)有X射線(xiàn)輻射的天體，會(huì)突然產(chǎn)生X射線(xiàn)輻射，例如正在吞噬恒星的黑洞。

凌志興說(shuō)，X射線(xiàn)光子能量非常高，穿透性極強(qiáng)，很難像可見(jiàn)光一樣通過(guò)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(xiàn)聚焦。“這就如同向水里扔一塊石頭，石頭太重會(huì)沉入水底，但如果以一個(gè)很小的角度把石頭丟出去，石頭可以在水面彈跳起來(lái)。”

生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，龍蝦的眼睛和其他動(dòng)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(gè)方向的光線(xiàn)在小方孔內(nèi)反射匯聚到視網(wǎng)膜上。1979年，美國(guó)科學(xué)家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠(yuǎn)鏡，讓X射線(xiàn)通過(guò)反射聚焦成像。

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

國(guó)家天文臺(tái)X射線(xiàn)成像實(shí)驗(yàn)室自2010年起開(kāi)始研發(fā)龍蝦眼X射線(xiàn)成像技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年努力終于獲得突破。

凌志興說(shuō)，龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡的最大好處就是可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)，能高效監(jiān)測(cè)天體的X射線(xiàn)變化，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)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(xiàn)聚焦望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)(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(gè)龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡大約能夠覆蓋1000個(gè)月亮那么大的天區(qū)，未來(lái)的愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星上將安裝12個(gè)這樣的望遠(yuǎn)鏡，其視場(chǎng)可達(dá)到約1萬(wàn)個(gè)月亮那么大?！绷柚九d說(shuō)。

他介紹，此次發(fā)射的望遠(yuǎn)鏡上的微孔龍蝦眼鏡片以及CMOS(一種圖像感光元件)探測(cè)器均為中國(guó)自主研發(fā)。

“我們?cè)趪?guó)際上首次提出將CMOS探測(cè)器應(yīng)用于空間X射線(xiàn)天文觀(guān)測(cè)并首次獲得成功實(shí)施。這是X射線(xiàn)天文探測(cè)技術(shù)上的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新?！绷柚九d說(shuō)。

該領(lǐng)域著名專(zhuān)家、英國(guó)萊斯特大學(xué)保羅·布賴(lài)恩教授表示，這項(xiàng)技術(shù)將對(duì)宇宙X射線(xiàn)監(jiān)測(cè)帶來(lái)變革性推動(dòng)，也顯示了愛(ài)因斯坦探針巨大的科學(xué)潛力。

愛(ài)因斯坦探針首席科學(xué)家助理張臣博士說(shuō)：“我們經(jīng)過(guò)十多年艱辛努力終于成功獲得龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)成果，能夠?yàn)槭澜缣煳膶W(xué)研究貢獻(xiàn)先進(jìn)的設(shè)備，我們都感到非常自豪?！?/p>

他說(shuō)，愛(ài)因斯坦探針將對(duì)宇宙中的高能暫現(xiàn)天體開(kāi)展系統(tǒng)性巡天監(jiān)測(cè)；有望發(fā)現(xiàn)隱身的沉寂黑洞，并測(cè)繪宇宙黑洞的分布，研究其形成演化和物質(zhì)吸積過(guò)程；搜尋來(lái)自引力波事件的X射線(xiàn)信號(hào)并精確定位；還將觀(guān)測(cè)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(ài)因斯坦探針計(jì)劃已吸引廣泛的國(guó)際關(guān)注，歐洲空間局、德國(guó)馬普地外物理研究所以及法國(guó)航天局共同參與了這一計(jì)劃。