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“天罗地网”探宇宙

市场信息网   2021-04-08 10:12:04   来源: 人民网   作者:刘红薇 尹倩青 王晨芳   评论:0

  原标题:“天罗地网”探宇宙

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  “慧眼”卫星示意图 中国科学院高能物理研究所提供

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  “天极”望远镜示意图 中国科学院高能物理研究所提供

  2017年6月15日成功发射的“慧眼”卫星,是我国首颗X射线天文卫星。“慧眼”卫星对银河系开展巡天扫描,黑洞、脉冲星、伽马暴……这些未解之谜都是“慧眼”的研究范围。“慧眼”卫星是中国空间科学先导专项中最贵、最重、科学仪器最多的卫星,曾有科学家评论,它将改变空间高能天文研究长期依赖国外卫星观测数据的状况。

  “慧眼”卫星在轨测试和正式交付以后,取得了黑洞及中子星双星观测、伽马射线暴、引力波电磁对应体探测等多项科研成果。例如,2017年10月16日,双中子星并合产生引力波联合观测成果全球发布,“慧眼”卫星参与了观测并发挥了重要作用,对引力波高能电磁辐射对应体进行监测并确定了伽马射线的流量上限。2020年9月,“慧眼”卫星在高于200千电子伏特(keV)的能段发现了黑洞双星系统的低频准周期振荡(quasi-periodic oscillation,QPO),这是迄今为止发现的能量最高的低频QPO现象。研究表明,其起源于黑洞视界附近的相对论喷流(向外高速运动的等离子体流)的进动,为解决一直以来存在争议的低频QPO物理起源问题提供了重要依据。日前,“慧眼”团队宣布发现了第一例与快速射电暴成协的非热X射线暴并且证认其来自于具有超强磁场的年轻中子星。这些成果标志着“慧眼”卫星开拓了对黑洞和中子星的X射线宽能段光变和能谱研究的新窗口。

  新一代“慧眼”——增强型X射线时变与偏振(eXTP)空间天文台也在研制过程中,预计于2027年前后发射升空,将有望成为在2027—2035年间该领域国际领先的旗舰级X射线空间天文台。eXTP是由中国科学家发起和主导的重大国际合作空间科学项目,合作组成员来自中国、意大利、德国、西班牙、英国、法国、荷兰、瑞士等二十多个国家、地区和组织的一百多个研究单位。它的主要科学目标可以概括为“一奇二星三极端”,“一奇”是指黑洞,“二星”即中子星和夸克星,“三极端”是指极端引力条件下的广义相对论、极端磁场条件下的量子电动力学和极端密度条件下的量子色动力学等理论。这些观测数据有望为终极回答黑洞附近会发生什么,真空量子涨落产生什么,中子星内部是什么物质状态等重大科学问题作出贡献。

  “拉索”:在世界屋脊探索宇宙线

  在海拔4410米的四川省稻城海子山,占地1.36平方公里、投资超过10亿元人民币的高海拔宇宙线观测站LHAASO已经初步建成,并开始作出重大科学发现。它的目标是寻觅来自宇宙深处的“天外来客”——宇宙线。

  高能宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子,其能量跨度为109~1020电子伏特,主要由质子和多种元素的原子核组成,并包括少量电子和光子。宇宙线弥漫在整个宇宙,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,它是“银河陨石”,是传递“宇宙大事件”的信使,是发现“宇宙加速器”的探针。自1912年被发现以来,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。在宇宙线的研究中,发现了许多基本粒子,开创了粒子物理学,诞生了5位诺贝尔奖得主。

  这个被昵称为“拉索”的大科学基础设施,属于第三代大视场巡天伽马天文探测器,与位于西藏羊八井的宇宙线观测站为代表的第一代和第二代伽马射线巡天望远镜相比,不仅更大,而且更加先进。建成之后,将是世界上探测最高能量的伽马射线的最灵敏的探测器。它由三个阵列、四种探测器组成:水切伦科夫探测器阵列,由3个大型水池构成,布置3000路探测单元,阵列面积为7.8万平方米;地面簇射粒子阵列,由5195路电磁粒子探测器和1171路缪子探测器组成;广角切伦科夫望远镜阵列,由12台宽视场切伦科夫成像望远镜组成。

  LHAASO有三个科学目标:探索宇宙线起源、对伽马射线源进行巡天普查、暗物质探测等新物理前沿研究。建成后,将在三个方面达到世界领先水平:一是具有超高能伽马射线探测灵敏度,在高于1012电子伏特的能量区域,比欧洲同类探测计划高十几倍,能够长期占据这类实验研究领域的制高点。二是具有甚高能伽马射线巡天普查灵敏度,比美国HAWC实验灵敏度高三四倍。三是具有宽广能量覆盖度的宇宙线能谱和成分精确测量装置。

  “拉索”边建设边运行,2019年4月首批探测器投入科学观测。首批投入观测的一号水切伦科夫探测器阵列的巡天灵敏度比国际上最高灵敏度的同类装置高出30%,可在伽马暴高能辐射探测、银河系外耀变源探测与观测、银河系内伽马射线源的深度观测等方面与国际同类实验展开合作研究。

  “阿里”:探测宇宙最初的引力波

  由中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家科研单位参与的中美合作项目“阿里原初引力波探测实验”也建在青藏高原上。阿里地区有独特的观测条件,是地球上迄今为止唯一一个可以实现北天区原初引力波观测的地点。未来,它或将与南极观测站、智利观测站一道,成为三大观测原初引力波的世界级台址。

  原初引力波是指宇宙原初时期产生的引力波,它蕴含着宇宙起源的奥秘,例如宇宙究竟是不是大爆炸产生的?是不是有过急剧膨胀的暴胀时期?这些问题都可能在原初引力波中找到答案。同时,原初引力波通常起源于极早期宇宙时空的量子涨落,对其进行研究有助于推进人们对量子引力等基本物理问题的理解。

  引力波的不同波段需要不同类型的探测方法才能实现,无法用一种探测方式实现引力波全波段探测。美国激光干涉引力波观测台(LIGO)可以探测到恒星级质量黑洞以及中子星并合产生的引力波,但原初引力波产生于宇宙诞生之初时空的剧烈膨胀,随着宇宙演化至今,已经成为引力波背景,只能用微波望远镜进行探测。对原初引力波的精确测量,是引力波探测全新的波段、有望成为下一个取得突破的方向。阿里计划分为两步,第一步是在海拔5250米建设一台在微波波段极其灵敏的“阿里一号”望远镜。之后,将在6000米处建设更加灵敏的望远镜阵列“阿里二号”,以拓展观测频段,提高观测精度。

  “天极”:“天宫”上的伽马射线暴“捕手”

  电磁波按波长从长到短,分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。伽马射线波长最短、能量最强,其能量比可见光大几十万倍。宇宙中的伽马暴来源于恒星坍塌时发生的剧烈爆炸——爆炸发生时,恒星中的物质以近乎光速喷出,形成射线暴,其亮度超过全宇宙其他天体的总和,辐射能量与太阳一生(百亿年)的总能量相当。因为伽马射线暴携带着诸多信息,自其1973年被发现后,一直是天文学和物理学的研究焦点和前沿。1997年以来,伽马暴的观测结果4次被《科学》杂志评为年度世界十大科技成就。

  “天极”望远镜的大名是中欧合作“伽马暴偏振仪(POLAR)”,由中国科学院高能物理研究所牵头,瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所、波兰核物理研究所等单位共同研制。它是天宫二号唯一搭载的天文载荷,于2016年9月15日发射升空,其偏振探测器安装于天宫二号空间实验室的舱外,背对地球指向天空,可以有效地捕捉到伽马暴爆发过程中产生的伽马光子,并测量它们的偏振性质。

  “天极”是目前国际上最灵敏的伽马射线暴偏振探测仪器,在轨运行期间,共探测到55个伽马暴,相关结果发表在国际学术期刊《自然·天文学》上,这些数据将有助于人类理解黑洞和中子星合并、太阳极端爆发等天体现象,从而了解宇宙如何演变,检验爱因斯坦的广义相对论。

  不仅如此,在轨实验过程中,“天极”还拓展了脉冲星和太阳耀斑等的探测任务。其中,脉冲星探测与星际导航息息相关,是实现星际旅行的关键步骤。“天极”是国内首次在轨观测到脉冲星,且成功实现利用脉冲星信号进行导航技术验证的实验项目。后续的POLAR-2也已经成功入选中国空间站首批科学实验,预期2024年左右发射运行,其科学能力将有大幅度提高,有望为最终解决黑洞的形成和极端相对论喷流产生的重大科学问题作出关键贡献。

  探索极端宇宙:计划中的“国际大事情”

  我国高能物理学家和天文学家正在谋划领衔开展一项国际大计划——探索极端宇宙国际大科学计划。

  这一计划由中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心提出,将利用中国载人空间站和大型卫星平台的应用资源和机遇,在2025年前后将相关科学设备发射入轨。研究将致力于探索当前空间天文领域国际普遍关注的,与暗物质、粒子加速、超大质量黑洞、强引力场、强磁场和极高密度相关的6个重要科学问题,即:极端起源、极端能量、极端天体、极端引力、极端磁场和极端密度。

  以上每一个问题的解决都可能带来人们对物质世界基本规律的突破性认识,也将人类对宇宙的演化和极端天体及其活动的认识推进到一个新高度。

  这一计划由两个具体任务组成:将放置于中国空间站的高能宇宙辐射探测设施(HERD)项目,和前文提到的“慧眼”二代——基于大型卫星平台的增强型X射线时变与偏振(eXTP)空间天文台项目。

  HERD将以前所未有的灵敏度搜寻暗物质,揭示宇宙线起源的世纪之谜,以前所未有的视场开展高能伽马射线全天巡天和监视,并探索脉冲星导航的新体制。HERD建造完成后,计划放置于中国空间站舱外的大型挂点,并开展10年连续观测。其探索极端宇宙的核心科学能力将长时间保持大幅度国际领先,从运行到结束每个阶段预期都有重大科学成果。

  这两个项目自从2007年提出后,预研超过10年,已吸引了国际知名科学家和重要研究团队的积极参加,与意大利、德国、西班牙、瑞士、英国、荷兰、法国等多个国家和地区的科研机构和科学家进行了研讨,在较大范围内达成了一致的合作意向,联合开展了科学目标的深化研究和关键技术攻关的工作,正在进入项目的方案设计阶段。

  茫茫宇宙,探索永无止境。在这样的探索中,中国科学家理应作出更大的贡献,展示出一个负责任大国的国际形象。

  (作者:刘红薇,系中国科学院高能物理研究所副研究员;尹倩青,系助理研究员;王晨芳,系宣传主管)


责任编辑:吴璟睿


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