读数望远镜

14日，记者从中国科学院国家空间科学中心获悉，经过半年的调试测试，圆环阵太阳射电成像望远镜目前已具备连续稳定高质量监测太阳活动的能力，脉冲星成像等射电天文观测能力得到初步验证，开启科学试观测。中国科学院国家空间科学中心供图圆环阵太阳射电成像望远镜位于四川省稻城县，又称“千眼天珠”，是国家重大科技基础设施子午工程二期的标志性设备，由中国科学院国家空间科学中心研制。“千眼天珠”由313部单元天线构成，是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜。通过采用原创的圆环阵列构型和中心定标总体方案，该望远镜突破了单通道多环绝对相位定标等核心关键技术，能够实时监测600多条接收链路的幅度和相位一致性，并自动进行补偿，率先实现了实时高分辨率“射电相机”功能。未来，“千眼天珠”将对太阳开展连续监测，同时探索脉冲星、快速射电暴和小行星监测预警方法，进一步精调精测，研究高精度数据处理方法，持续改进成像质量。据悉，子午工程二期将在一期以链为主的15个台站的基础上新增16个台站，形成东经100度、120度、北纬40度、30度附近31个台站“井”字型布局的空间环境监测网络系统。二期建设目标是监测太阳爆发活动对地球空间天气的影响，理解日地空间环境，提高空间天气预报水平，保障航天器和地面高技术系统的安全运行。

2月28日，记者从中国极地研究中心获悉，我国首台近红外望远镜在南极昆仑站成功运行。中国第40次南极科学考察队利用该望远镜开展了近红外天文观测以及近地空间环境全时段监测实验。研究人员利用我国自主研制的近红外天文望远镜，成功测定了昆仑站全天空的近红外天光背景亮度等关键数据，为昆仑站开展全年天文和空间观测提供了坚实基础。经过近两个月的运行表明，该望远镜达到设计要求，满足极寒气温、无人值守等严酷环境指标。接下来，科研人员将远程遥控望远镜在无人值守的南极昆仑站开展宇宙和空间观测。在南极最高点建设天文观测阵列中国极地研究中心研究员姜鹏介绍，国际上公认的南极科学高点有4个：南极点、南极的磁点、南极的冰点、南极冰盖最高点。中国南极科考队从1996年开始先后组织开展了6次内陆科学考察，终于在2005年实现人类首次从地面登顶最高点冰穹A，并于2009年在冰穹A建立首个南极内陆考察站——昆仑站。“冰穹A地区，不仅大气稀薄洁净、没有光污染，而且每年有长达6个月的极夜，是地球上最佳的天文观测台址。”姜鹏说。“此次投入使用的近红外天文望远镜，可以承受零下80摄氏度的极寒气温，并且无惧‘地吹雪’对设备的干扰。”负责装备研发的中国科学院南京天文光学技术研究所望远镜新技术研究室副主任李正阳研究员说。为确保望远镜在环境恶劣的南极地区稳定运行，他们在南京建造了一个零下80摄氏度的实验室。“南极地区有时会突然刮起大风，扬起‘地吹雪’，造成设备卡死。”李正阳说，该望远镜应用了自主研发的耐低温光学镜筒、全密封直接驱动电机关键技术，显著提升了设备的极端环境适应能力。我国在南半球部署天文望远镜，有助于开展全面、持续的观测活动。近年来，依托昆仑站，中国科学院与中国极地研究中心合作研制了多台套天文观测设备，其中包括参与人类历史上首次探测到引力波光学对应体全球联测工作的南极巡天望远镜（AST3-2）等。春分过后，南极将进入极夜，无人值守的近红外望远镜将通过远程控制与南极巡天望远镜AST3-2协同开展时域天文学观测，填补昆仑站近红外观测空白。未来，太赫兹望远镜也将进驻昆仑站，进一步拓展南极天文观测波段。与“爱因斯坦探针”携手探秘宇宙“我们肉眼可见的光，只是天体辐射电磁波里很小的一段，红外望远镜是天文观测的重要手段之一。”姜鹏说，红外波段观测为科学家探究宇宙、星系、恒星的形成与演化，了解暗物质与暗能量，寻找地外生命迹象等发挥了重要作用。姜鹏介绍，地球大气也会产生红外辐射对观测天体产生影响，气温越低大气红外辐射越弱，因此南极地区的极寒天气能够较好地抑制天空红外背景噪声。李正阳介绍，长期以来，我国在红外天文望远镜领域相对薄弱，此次投入运行的近红外望远镜波长在1.1—1.4微米，是最接近可见光的波段。根据科研计划，无人值守期间，近红外天文望远镜将锁定几个特定区域进行持续观测，并及时跟踪观测宇宙中的爆发天体。今年1月9日，我国成功将爱因斯坦探针卫星送入太空。该卫星主要科学目标涉及黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的重要预言，因此取名为“爱因斯坦探针”。姜鹏告诉记者，宇宙中的爆发现象是目前国际天文研究的前沿热点，爱因斯坦探针卫星的一个重要任务，就是通过在X射线波段探测宇宙中的爆发现象。“我们将发挥红外波段和南极区域优势，与爱因斯坦探针卫星合作观测宇宙中的爆发现象。”姜鹏说。

我国“硬X射线调制望远镜”在轨运行示意图。 将于2021年发射的美国“国际X射线天文台”卫星。 去年6月发射的美国“核区分光望远镜阵列”高能天文卫星。 　　新闻背景 　　日前，中国科学院院长白春礼院士表示，该院已经启动硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星、暗物质探测卫星、返回式科学试验卫星和夸父计划卫星的工程研制。其中，硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星已进入初样研制阶段。 　　据悉，硬X射线探测卫星有可能成为我国第1颗天文卫星(即空间望远镜)于近年升空。 　　X射线天文卫星主要观测宇宙高能物理过程 　　众所周知，天文卫星相当于把天文观测台搬到太空中，所以可轻而易举地改变以往坐地观天的传统，摆脱大气层对天文观测的影响，在全频段范围内对宇宙空间进行详细的观测，对人类科学认识宇宙有革命性的推动。 　　宇宙中的万物每时每刻都在不断向空间辐射电磁波。由于各种天体的性质和特点不同，所以它们所辐射的电磁波也不同。天文卫星也叫空间望远镜，它是通过探测各种天体所辐射的不同波谱、不同强度的电磁波，对宇宙进行详细了解的。因此，目前天文卫星大多是按照所观测的宇宙中电磁波谱来分类，即分为红外天文卫星、紫外天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星等。 　　这些天文卫星各有所长，谁也不能“一统天上”。这是因为宇宙中的天体由于温度不同而发出各种频段的电磁波，靠1颗天文卫星很难进行全频段观测。一般来说，温度越高，发出的电磁波波长越短。人类可以利用这一特性，通过观测天体发出的电磁波，来分析它们的类型和特征。在电磁波谱中，γ射线的波长最短，X射线次之，后面依次是紫外线、可见光、红外和射电波。 　　近些年，随着X射线天文卫星成果颇多，所以越来越受青睐。这种卫星也称空间高能天文卫星或空间高能望远镜，因为它们主要用于观测宇宙中的高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。宇宙中很多极端天体物理过程，都会产生发射强烈X射线的高温气体，比如白矮星、中子星和黑洞吸积物质的过程，超新星爆发和γ射线暴的激波和喷流。高能带电粒子在磁场中的辐射以及低能光子的作用、中子星的表面和量子黑洞的蒸发也会产生丰富的X射线。 　　由于宇宙中许多天体都散发X射线，因此探测宇宙中的X射线对探索宇宙奥秘具有重要意义。但由于X射线极易被介质吸收，介质对于X射线的折射率近于1，所以在地面进行高能X射线的收集和聚焦是非常困难的事情。也就是说，因为有地球大气的阻隔，在地面上根本无法对宇宙X射线进行观测。即使在太空观测X射线，望远镜的设计也要非常讲究，不能选用折射系统，而且要使射线以掠射方式射入镜面。 　　我国首颗天文卫星将拥有最高灵敏度和最好空间分辨率 　　我国研制的首颗天文卫星——“硬X射线调制望远镜”将于近年发射。它是一颗工作于硬X射线能区(1～250千电子伏特)的空间高能天文卫星，用于完成深度巡天，可发现大量巨型黑洞、大批硬X射线天体和一系列天体高能辐射新现象，绘出高精度的硬X射线天图。该卫星具有比欧洲“国际γ射线天体物理实验台”、美国“雨燕”更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力，能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体,并研究宇宙硬X射线背景的性质。 　　这颗天文卫星携带的低能(1～15千电子伏特)、中能(5～30千电子伏特)和高能(20～250千电子伏特)三个望远镜，都是准直型探测器,直接解调扫描数据可以实现高分辨和高灵敏度成像以及对弥散源的成像 而大面积准直探测器又能获得特定天体目标的高统计和高信噪比数据,使“硬X射线调制望远镜”既能实现大天区成像,又能通过宽波段时变和能谱观测研究天体高能过程。 　　如果及时发射，“硬X射线调制望远镜”将实现世界最高灵敏度和最好空间分辨率的硬X射线巡天，发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射 将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程。 　　美欧日等X射线空间望远镜已取得一批重要观测成果 　　从1999年起，一些X射线空间望远镜开始陆续升空，大大开拓了天文学家的视野，使他们有可能了解宇宙中一些最神秘的天体。 　　1999年7月23日，美国“钱德拉”X射线空间望远镜升空。其主镜为4台套筒式掠射望远镜。该卫星在0.1～10千电子伏特之间有高的灵敏度，在宽的谱范围内具有高的谱分辨率，因此能研究极弱的X射线源。 　　1999年12月10日上天的欧洲“牛顿”X射线多镜面卫星主要用于研究1～120纳米的电磁波谱区域，覆盖了0.1～12千电子伏特的能量范围，在该卫星的10年有效寿命期内，有望收集到宇宙中30000颗星星的X射线光谱。 　　2005年7月10日，日本发射了“天体-E2”X射线天文观测卫星。该卫星覆盖的能量范围是0.4～700千电子伏特，可与美国的“钱德拉”和欧洲的“牛顿”共同观测一个天体，利用各自的特长收集资料，为国际天文研究做出贡献。 　　2012年6月13日入轨的美国“核区分光望远镜阵列”卫星，使用独特的技术对宇宙中最高能级的X射线进行观测，可观测来自天体的5～80千电子伏特之间的高能X射线，尤其是核光谱。其主要科学目标是深度探索质量超过太阳10亿倍的黑洞，并了解粒子在活动星系核中是如何被加速到光速的百分之几，以及研究超新星残骸以了解重元素如何在超新星中形成。其一个10米长的桅杆，在发射时呈折叠状态安放,入轨后大约7天内逐渐展开，以帮助探测装置准确聚焦。 　　此前发射的“钱德拉”X射线空间望远镜主要工作在低能X射线领域，而“核区分光望远镜阵列”主要工作在高能X射线领域，是第1颗专注于高能X射线的空间望远镜，其影像清晰度比观测同光谱区的其他任何望远镜都要高至少10倍，敏感度则提高至少100倍。这样的强强联合有助于回答有关宇宙的一些最基本问题。“核区分光望远镜阵列”卫星已取得一些成果，包括拍到银河系核心黑洞X射线爆发。 　　延伸阅读 　　2021年“国际X射线天文台”或将入轨 　　由于X射线空间望远镜一直持续不断地做出重大天文发现，所以世界一些国家还正研制新的空间高能天文望远镜，仅2013年就将发射3个。 　　计划2013年发射的俄罗斯的“光谱-X-γ”卫星，主要用于探测上千个星系团和星系群中的热星系际介质以及星系团之间的纤维状热气体，从而研究宇宙的结构演化。 　　印度的“天文卫星”(AstroSat)也拟于2013年入轨。它是印度首颗天文卫星，主要用于监测宇宙天体源的辐射强度变化 对X射线双星、活动星系核、超新星遗迹和恒星冕进行光谱观测 监视可能出现的瞬变源等。 　　2013年，日本将发射“天文-H”高能天文卫星,它第一次采用微量能器聚焦在0.3～12千电子伏特能区，预计该卫星将在空间高能天文领域做出大批重要的发现，对于理解宇宙的极端物理现象，尤其是强引力场和强磁场中的物理过程做出重要贡献。 　　2021年，用于取代“钱德拉”和“牛顿”的“国际X射线天文台”将入轨，它由美欧日联合研制，用于捕获宇宙边缘处黑洞周围发出的信号，并研究它们和宇宙原初星系的关系以及共同演化，了解宇宙的起源和组成，宇宙中各种元素的形成和如何通过恒星、宇宙爆发和粒子加速传播和扩散出去等。该卫星装有口径约3米和焦距12米的光学系统和6个焦平面探测器系统，所以具有前所未有的综合科学能力。其有效面积和能量分辨率将远远超越以前所有的空间高能天文卫星。 　　由此可见，X射线空间望远镜的发展方兴未艾，是空间天文学的最重要前沿领域之一。