宇宙被看光光？科学家将为宇宙拍摄高能X光片

原文作者：Davide Castelvecchi

德国和俄罗斯联合开展的SRG任务将对几百万个超大质量黑洞（许多为首次发现）和几十万颗恒星进行探测。

 “你见过自己身体的X光片吗？它看起来和身体完全不一样。”Rashid Sunyaev说，“我们准备给宇宙拍X光片。”Sunyaev出生于前苏联，现为德国马克斯-普朗克天体物理研究所的一位知名宇宙学家。很快，他盼望已久的梦想就要成真了。

图为“频谱-伦琴-伽玛”望远镜的艺术想象图，该望远镜将于本月发射。

来源：行星学会（The Planetary Society）

6月21日，一项由德国和俄罗斯联合开展的任务“频谱-伦琴-伽玛”（Spectrum-Roentgen-Gamma，SRG）将发射升空，为我们绘制一幅前所未见的太空地图。这不是第一台能探测到高能“硬”X射线的太空望远镜——这种望远镜能够让天体物理学家观测到宇宙中那些不发光的昏暗天体；但它将是第一台能够利用X射线绘制太空地图的望远镜，为研究人员提供一种新的方式来追踪宇宙亿万年来的加速膨胀情况。马克斯-普朗克地外物理研究所的X射线天文学家、SRG任务的首席研究员Peter Predehl表示：“用不了半年的时间，我们就能覆盖整个天际。” 

SRG的主要研究目标是创建一张3D宇宙地图，揭示宇宙是如何在暗能量这种神秘斥力的作用下加速膨胀的。宇宙学家将藉由星系团来探测这种力量——其中蕴藏着宇宙结构和历史的奥秘。SRG将探测星系间等离子体以及不断加入它们的等离子体细丝发出的X射线光，由此绘制覆盖约10万个星系团的宇宙网络。此外，该任务还将探测多达300万个超大质量黑洞（许多为首次发现）和银河系中70万颗恒星发出的X射线。

美国哈佛-史密森天体物理中心的X射线天文学家Giuseppina Fabbiano说：“这将是一次了不起的观测任务。”她认为观测数据将对整个领域产生长远而独特的影响。

俄罗斯的太空复兴

对俄罗斯来说，SRG是其几十年来最重要的空间科学任务之一，SRG的目的在于重振俄罗斯多年来因经费削减和人才外流而发展缓慢的天体物理学。此次任务将搭载两台独立的X射线望远镜：一台是德国建造的eROSITA（扩展伦琴射线勘测成像望远镜阵列），另一台是由俄罗斯建造的ART-XC（天文学伦琴望远镜—X射线集中器）。ART-XC是俄罗斯和前苏联太空研究史上的第一台X射线望远镜，俄罗斯科学院空间科学研究所的高能天体物理学家Mikhail Pavlinsky表示：“这是让我们重回世界一流研究水平的新机会。”

据悉，望远镜将搭乘俄罗斯建造的质子-M火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场升空。过去也几次任务进行过X射线巡天，包括上世纪90年代的德国ROSAT任务。不过，ROSAT任务只能探测到能量约为2keV的“软”X射线。现有的航天任务，如美国国家航空航天局（NASA）的钱德拉X射线天文台和核分光望远镜阵列（NuSTAR），虽然都能探测到高能辐射，解析宇宙结构的微小细节，但它们的视野范围只能覆盖一小部分天空。

SRG的两台望远镜，每台都能探测到能量更高的X射线波段：eROSITA 的探测范围为0.2-10keV；ART-XC的探测范围为5-30 keV。（虽然SRG的名字中有伽玛，但它并不会探测伽玛辐射，保留这个名字只是出于历史原因。）每台设备都由7台X射线望远镜组成，将同时对同一片天空进行观测。通过集结它们的能力，整个设备能采集到比单个望远镜更多的光子。天空中的X射线光子很稀疏，且相距遥远，因此，望远镜的半导体基传感器（普通数码相机传感器的高能版本）还能估算出单个光子含有的能量。

SRG的德国造eROSITA望远镜将观察到的 X射线发射的模拟图。（图中的两个亮斑是望远镜设计的伪影）。

来源：Remeis Observatory & ECAP

在这项为期四年的任务中，SRG将对整个天空绘制八次地图，研究人员再通过对比每一次的地图，寻找变化。比方说，星系中心的某些超大质量黑洞在高速吞噬物质时会变得非常明亮，之后再恢复到相对静默的状态。Pavlinsky说，虽然这些黑洞发出的大部分软X射线可能会被周围的尘埃吸收，但较硬的X射线应能穿过尘埃。ART-XC可能会年复一年地看到天体时而出现、时而消失，这能为理解黑洞如何吞噬物质提供有用的信息。Sunyaev说：“我们希望能在这四年中观测到几千个此类事件。”

SRG还将考察普通物质和暗物质在宇宙中的分布——暗物质是星系形成的关键；此外，SRG还将寻找可以揭示暗物质粒子特性的直接线索。为此，SRG将尝试确认之前所探测到的显示出一些星系中心的X射线发射峰的信号。有研究人员曾认为这些信号来自已知的亚原子粒子中微子的未知近亲的衰变，这种粒子的质量比中微子大。研究人员认为这些中微子可能是暗物质的主要组成部分，但这一解释仍存在一定的争议。马克斯-普朗克地外物理学研究所的天体物理学家Esra Bulbul是这项任务的首席科学家，她说：“迄今为止，认为X射线信号来自暗物质的解释仍然在讨论中，未有定论。”

时机已至

对于俄罗斯和德国的天体物理学家来说，硬X射线太空任务一直在他们的计划中：SRG的渊源可以追溯至前苏联时期。1987年，Sunyaev与其导师Yakov Zeldovich和Andrei Sacharov 等主要天体物理学家曾提出了一项基于硬X射线的重大任务，但随着1991年苏联宣告解体，任务计划便被取消。

欧洲与俄罗斯的太空局在2004年开始重新考虑这一想法，但由于NASA当时已经决定削减其航天飞机项目，直到2011年最终结束，因此向国际空间站发射X射线望远镜的提议再遭搁置。2009年，德国宇航局和俄罗斯联邦航天局共同批准了一项联合任务，并制定了更高的目标。

Predehl说：“走到今天这一步，经历了太多曲折。”

不同往常的是，考虑到俄罗斯的天体物理学研究规模不大，SRG任务在数据处理上做了一些特殊安排。Sunyaev说，此次任务将不会按照惯常做法，将全部数据都放在一个数据库中，而是由德国研究人员负责半面天空（银河系中心向西部分）的数据储存和分析，俄罗斯研究人员负责另外半面的。这么做能让双方都有充足时间处理数据。之后，这些数据将向其他研究人员开放。

原文以Space telescope to chart first map of the Universe in high-energy X-rays为标题

发布在2019年6月11日《自然》新闻上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-01831-1

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