“黑洞探針”計(jì)劃：揭秘宇宙中最神奇的天體

喬輝

2016年年初，人類首次直接探測到引力波的消息席卷全球，這次引力波事件是由距離地球14億光年之遙的兩個黑洞合并時發(fā)出的。黑洞總是宇宙中許多高能事件的始作俑者，也是天體物理學(xué)家研究的重要對象。

幾乎與此同時，中國科學(xué)院完成了《2016-2030空間科學(xué)規(guī)劃研究報告》，報告提出了一系列空間科學(xué)計(jì)劃，共有“黑洞探針”計(jì)劃、“天體號脈”計(jì)劃、“鏈鎖”計(jì)劃和“火星探測”計(jì)劃在內(nèi)的23個空間科學(xué)計(jì)劃。其中，“黑洞探針”計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)是通過觀測宇宙中黑洞等致密天體發(fā)出的X射線及伽馬射線暴，研究黑洞物理和宇宙高能過程。

黑洞是宇宙中存在的一類致密天體，其引力場之強(qiáng)，甚至連光也逃逸不出來。

中國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡

恒星級質(zhì)量黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)停止后，核心物質(zhì)發(fā)生引力坍縮而形成的。除此之外，還有中等質(zhì)量黑洞以及超大質(zhì)量黑洞，它們的形成機(jī)制都是目前天體物理學(xué)研究的熱點(diǎn)。

黑洞本身不發(fā)光，該如何探測它們呢？

如果黑洞周圍存在大量物質(zhì)，那么其強(qiáng)大的引力場會不斷吸引和吞噬它們，而物質(zhì)在落向黑洞的過程中，會形成圍繞黑洞的吸積盤。吸積物質(zhì)的引力勢能轉(zhuǎn)化為動能并最終加熱吸積盤，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線輻射。吸積盤由于在黑洞視界之外，由此可以被探測到。這些有強(qiáng)輻射的黑洞被稱為活動黑洞，無論質(zhì)量大小，都是宇宙中的強(qiáng)X射線源。

中國正在實(shí)施的“黑洞探針”計(jì)劃將主要回答以下科學(xué)問題：黑洞等極端和致密天體的性質(zhì)是什么，黑洞等極端和致密天體是如何與它們周圍的環(huán)境相互作用的，大質(zhì)量恒星是如何演化并最后形成黑洞等致密天體的……根據(jù)目前中國空間天文發(fā)展的現(xiàn)狀，“黑洞探針”計(jì)劃的探測任務(wù)分別由硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡、伽馬暴偏振儀和空間變源監(jiān)視器三顆探測器承擔(dān)。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope）是目前已知計(jì)劃中的世界最高靈敏度和最好空間分辨率的空間硬X射線望遠(yuǎn)鏡。它將實(shí)現(xiàn)空間硬X射線高分辨巡天，去發(fā)現(xiàn)大批高能天體和天體高能輻射新現(xiàn)象，并對黑洞、中子星等重要天體進(jìn)行高靈敏度定向觀測，推進(jìn)人類對極端條件下高能天體物理動力學(xué)、粒子加速和輻射過程的認(rèn)識。此外，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡還將進(jìn)行引力波源電磁輻射對應(yīng)體的定位和后續(xù)觀測。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)寬波段X射線 （1-250 keV） 巡天，其中在硬X射線波段具有世界最高靈敏度和空間分辨率。它的科學(xué)目標(biāo)旨在通過巡天觀測，發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和未知類型天體，研究宇宙硬X 射線背景輻射的性質(zhì)。同時，通過觀測黑洞、中子星、活動星系核等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力場中物質(zhì)的動力學(xué)和高能輻射過程。

根據(jù)最新報道，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）將于2016年年底正式升空。

“天宮二號”將攜帶國際首個專用的高靈敏度伽馬射線暴偏振測量儀器

伽馬暴偏振儀（POLAR）

伽馬暴偏振儀是中歐合作的專門用于測量伽馬射線暴偏振的探測器，將跟隨我國“天宮二號”空間實(shí)驗(yàn)室于2016年9月中旬升空，利用康普頓散射原理測量入射伽馬射線的偏振。

伽馬射線暴（簡稱伽馬暴）是來自宇宙空間的伽馬射線短時間內(nèi)大爆發(fā)的現(xiàn)象，是迄今人類觀測到的最劇烈的高能天體物理現(xiàn)象。根據(jù)持續(xù)的時間，伽馬暴可分為兩大類：長暴和短暴。長暴通常與大質(zhì)量恒星發(fā)生超新星爆炸形成高速旋轉(zhuǎn)的致密天體（黑洞、中子星）有關(guān)。短暴即中子星合并產(chǎn)生的一類持續(xù)時間短于兩秒的伽馬暴，通常與兩顆中子星發(fā)生合并產(chǎn)生黑洞有關(guān)。

自1967年由美國的Vela軍事衛(wèi)星偶然發(fā)現(xiàn)伽馬暴以來，該天文現(xiàn)象就以其短時間、高能量、遠(yuǎn)距離、復(fù)雜的光變和譜態(tài)等顯著特征引起人們的廣泛關(guān)注，成為天體物理學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一。

國際上已經(jīng)先后發(fā)射了多顆載有伽馬暴探測儀器的天文衛(wèi)星以及實(shí)驗(yàn)平臺，觀測到的伽馬暴事例已經(jīng)超過了4000個。然而，至今伽馬暴的爆發(fā)機(jī)制還是天體物理學(xué)研究領(lǐng)域中的未解之謎。

目前，國際上還沒有專用的空間伽馬射線偏振測量儀器，而伽馬射線暴的偏振被認(rèn)為是伽馬暴的最后一個觀測量。因此，伽馬暴偏振儀實(shí)驗(yàn)將開辟一個空間天文的新窗口，預(yù)計(jì)將對我們理解伽馬暴的爆發(fā)和噴流機(jī)制發(fā)揮決定性的作用，并有可能檢驗(yàn)有些量子理論模型。

通過對伽馬射線暴的偏振測量將揭曉其噴流結(jié)構(gòu)，尤其是磁場的結(jié)構(gòu)

伽馬暴偏振儀獲取的有關(guān)伽馬暴的偏振信息，有望和其他同時運(yùn)行的空間伽馬暴探測結(jié)果一起來診斷伽馬暴噴流的結(jié)構(gòu)，尤其是磁場的結(jié)構(gòu)，從而確定伽馬暴的極端相對論噴流的產(chǎn)生、準(zhǔn)直和輸運(yùn)機(jī)制。同時，對伽馬暴的中心發(fā)動機(jī)模型做出判定，也將對理解大質(zhì)量恒星演化的最后階段、黑洞的形成過程、極端吸積率狀態(tài)下黑洞和周圍物質(zhì)的相互作用、如何提取黑洞的轉(zhuǎn)動能量、雙中子星的并和過程等重要天體物理學(xué)問題作出貢獻(xiàn)。

空間變源監(jiān)視器（SVOM）

空間變源監(jiān)視器（Space Variable Objects Monitor）是中法合作的天文衛(wèi)星，計(jì)劃于2021年發(fā)射。屆時，我國計(jì)劃將在一顆小衛(wèi)星平臺上攜帶可見光望遠(yuǎn)鏡（中國）、軟X 射線望遠(yuǎn)鏡（法國）、硬X 射線成像儀（法國）、伽馬射線監(jiān)視器（中國）等多波段科學(xué)儀器。

空間變源監(jiān)視器的鏡片由英國萊斯特大學(xué)的科學(xué)家研制，其設(shè)計(jì)受到了龍蝦和其他類似動物使用反射原理聚焦光的啟發(fā)。傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡X射線鏡片由固態(tài)玻璃和金屬構(gòu)成，重達(dá)數(shù)十千克，新型的“龍蝦”X射線鏡片僅重1千克，更容易發(fā)射到太空軌道?？臻g變源監(jiān)視器的主要任務(wù)是定位巨型恒星死亡產(chǎn)生的伽馬射線暴，以探測和研究伽馬暴，特別是高紅移伽馬暴。

目前美國宇航局的“雨燕”伽馬射線暴探測器已經(jīng)創(chuàng)下了探測到最高伽馬暴紅移值的世界紀(jì)錄（紅移值為8.2，產(chǎn)生于宇宙大爆炸后僅6.3億年），而空間變源監(jiān)視器極有可能打破這個紀(jì)錄?？臻g變源監(jiān)視器的伽馬射線監(jiān)視器對伽馬暴具有更好的能譜測量能力，因此能夠更好地利用伽馬暴作為最遙遠(yuǎn)宇宙的探針，來研究宇宙的演化以及暗能量問題。更為強(qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對于伽馬暴余輝的測量將對研究各種類型伽馬暴的本質(zhì)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)新類型的伽馬暴具有重要意義。

空間變源監(jiān)視器

計(jì)劃于2021年升空的空間變源監(jiān)視器所擔(dān)負(fù)的核心科學(xué)目標(biāo)有3個：一是發(fā)現(xiàn)和快速定位各種伽馬射線暴，引領(lǐng)國際伽馬暴研究;二是全面測量伽馬暴的電磁輻射性質(zhì)，提供伽馬暴的基本參數(shù)，從而理解大質(zhì)量恒星的演化、伽馬暴的爆發(fā)機(jī)制，以及極端相對論噴流的產(chǎn)生和輸運(yùn)過程;三是探測離地球最遠(yuǎn)、產(chǎn)生最早的天體，利用伽馬暴研究宇宙的早期演化、暗物質(zhì)和暗能量的宏觀性質(zhì)。因此，空間變源監(jiān)視器作為“黑洞探針”計(jì)劃的重要項(xiàng)目之一，將能夠?qū)θ祟惱斫鈽O端天體物理過程和宇宙演化作出重要貢獻(xiàn)。

“黑洞探針”計(jì)劃將全面提升中國空間科研水平，并加深人類對黑洞現(xiàn)象以及宇宙其他高能天體物理過程的理解和認(rèn)識。黑洞和支配黑洞的法則隱藏在黑暗中，中國“黑洞探針”計(jì)劃一旦付諸實(shí)施，將會給這一領(lǐng)域帶來一片光明。