如何捕捉“宇宙焰火”？这颗以爱因斯坦命名的卫星从龙虾复眼受到启发

爱因斯坦探测器将于2024年初发射升空，它已开始执行任务，其先进的X射线望远镜展示了令人鼓舞的首照图像，旨在与国际伙伴合作探索充满活力的宇宙。图片来源：中国科学院

这幅 X 射线光下的银河全景图是爱因斯坦探测器在太空中进行校准和测试活动时拍摄的。在这次长达 11 个多小时的测试观测中，卫星探测到了各种会产生 X 射线的天体。由于航天器新颖的龙虾眼光学系统的工作方式，每个天体都被拍摄成一个紫色的十字。X射线观测结果显示在欧洲南方天文台地面望远镜绘制的银河系光学图像之上。爱因斯坦探测器的宽视场 X 射线望远镜（WXT）由 12 个模块组成，覆盖 3600 多平方度的天空。这颗卫星可以在围绕地球运行的三个轨道上捕捉整个夜空。在监测天空时，该任务将发现来自超新星、落入黑洞的物质甚至中子星碰撞等强力事件的 X 射线。后续X射线望远镜（FXT）随后可以放大这些天体，提供更详细的信息。资料来源：EPSC、NAO/CAS；DSS；ESO

这张图片展示了爱因斯坦探测器宽视场 X 射线望远镜的测量机制。来自宇宙的 X 射线进入望远镜，沿着方形管道进入 CMOS 光探测器，在那里形成 "正 "字形图像。有些 X 射线不会与方形管的管壁发生相互作用，可能会出现在探测器的任何位置。不过，大部分 X 射线会在管壁上反射。只被顶壁或底壁反射的 X 射线会在探测器上形成一个水平条。同样，只在左墙或右墙上反射的 X 射线会在探测器上形成竖条。最后，X 射线会同时在两面墙壁上反射，这些双面反射的射线最终会在图像中间产生强烈的信号。
资料来源：中国科学院

半人马座欧米茄星是银河系中最大的星团，质量是太阳的一百万倍。在爱因斯坦探测器进入太空的头几个月里，对这个著名星团的观测有助于测试和校准卫星的成像质量。
双星系统由恒星与黑洞或中子星伴星组成，当恒星的物质落到重伴星上时，就会产生X射线。许多这样的系统都以半人马座欧米茄星为家，使它在 X 射线的照射下闪闪发光。爱因斯坦探测器的后续X射线望远镜观测到了球状星团的结构和核心区域。资料来源：中国科学院

爱因斯坦探测器测试和校准活动中拍摄的 X 射线光下的 Puppis A 图像。Puppis A 是 4000 年前发生的超新星爆炸的残余物，中间的亮点就是这颗残余恒星。它周围的云状结构来自超新星爆炸时产生和排出的热物质。爱因斯坦探测器的后续 X 射线望远镜（FXT）拍摄了这张照片。在拍摄这张照片的同时，FXT 还提供了该光源的光谱，追踪其光线的能量分布。这使得科学家们能够找出这颗超新星残骸中存在的元素。来源：中国科学院

浩瀚宇宙中，遥远暗弱的暂现源和未知现象好比“宇宙焰火”。为了捕捉这些转瞬即逝的“宇宙焰火”，科学家是如何从龙虾的复眼受到启发？解放日报·上观新闻记者采访了宽视场X射线望远镜的联合研制团队——中国科学院上海技术物理研究所与中国科学院国家天文台。

“昼见如太白，芒角四出，色赤白”，早在《宋史·天文志》中就有记载，1054年7月4日突然出现一颗“天关客星”。直到20世纪早期，天文学家终于认定这是一次超新星爆发，而其爆炸形成的壮丽星云，即被誉为“高能宇宙中的灯塔”的蟹状星云。

后随X射线望远镜对蟹状星云的观测图像（X射线数据版权EP科学中心）

每一次对暂现源的发现和观测都蕴藏着发现未知的可能。在望远镜发明以前，人类对于此类暂现源的记录可谓寥寥无几。然而即使在望远镜发明以后，由于暂现源在时间和空间上都不可预测，只有针对其随机性设计的设备，才有可能大规模发现和研究这些突然出现的天文事件。

在这些事件里，海量的能量在一瞬间（相对宇宙年龄来说）释放，会产生大量X射线，这也使得X射线成为观测暂现源最好的窗口。

近几十年，尚在运行的X射线卫星中，大视场望远镜一直是发现暂现源的重中之重，比如美国的雨燕卫星、日本的全天X射线监视器，但它们的探测能力已逼近物理极限。

【大视场和聚焦成像本是一个矛盾】

“暂现源发生率一般较低，因此需要监测更大的宇宙范围，从而可以看到更多天体，发现更多稀有暂现源。”宽视场X射线望远镜光学系统负责人、国家天文台研究员张臣介绍，宽视场X射线望远镜的视场超过3600平方度，覆盖了天区的十一分之一，是目前世界上拥有最大视场的X射线望远镜，“如果说以往的相机相当于‘油车’，我们这个最大视场相机相当于‘新能源车’，有着数量级的代际差异。”

宽视场X射线望远镜子模块装调

“有了宽大的视场还不够，还需在大视场中看到目标的精细结构。”中国科学院院士、宽视场X射线望远镜载荷负责人、上海技术物理研究所研究员孙胜利说，这本身是一个矛盾，属于复杂性科学，最终通过联合研制团队的不懈努力，实现了大视场中的聚焦成像。

这颗科学卫星之所以命名为爱因斯坦探针，因为其科学目标主要是验证爱因斯坦的广义相对论，除了发现宇宙中的X射线暂现天体，探索宇宙中沉寂的黑洞、恒星耀发、探寻来自引力波源的X射线对应体等，同样都离不开兼具大视场和高灵敏度的巡天望远镜。

【把一个个设想变为可能】

龙虾有着反射式复眼，每个单眼可以将入射进来的光反射出去，即使在光线较暗的水中，也有着较强的聚光能力。

借鉴龙虾眼的独特构造，宽视场X射线望远镜由12个望远镜模块组成，定位精度小于1角分。每个龙虾眼的镜片上有近100万个细孔，每个细孔比头发丝还要细，而这样的镜片就有432个。这也是国际上首次实现微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术的大规模空间应用。

装调中的龙虾眼光学系统

“这台望远镜在7年前仅仅只有概念和设想，确实非常富有挑战。如今作为国际上首个且唯一的宽视场X射线望远镜，相比在轨工作的其他X射线望远镜，视场提升好几个数量级，灵敏度高出一个数量级，有可能给时域天文学研究带来突破性进展。”宽视场X射线望远镜载荷主任设计师、上海技术物理研究所副研究员孙小进说。

“我们还面临了业界前所未有的速率挑战，探测器产生的数据量相当于每秒产生25部1G的电影，将如此海量的数据直接传输到地面是不现实的，我们通过极其复杂的星上预处理算法，将原始数据压缩了几万倍。”宽视场X射线望远镜载荷件主管、上海技术物理研究所高级工程师薛玉龙说。

最紧张的时候，这支平均年龄35岁以下的团队，连续三个月每天从清晨奋战到凌晨3点，还要做到“零差错”。48片探测器、每片有600多根键合线，60块电路板、每块有323个焊盘，一次次检查，一次次记录留存，来不得半点疏忽。

“这些年经过的艰难险阻还历历在目，整个团队最大的收获是以后不管面对多大困难都不会害怕。”孙胜利说。