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吃个龙虾也能搞出X射线望远镜?

 
导读:
 
奇妙的自然界是科学研究的绝妙源泉。比如,龙虾的眼球具有独特的结构,天文学家就从中受到启发设计了龙虾眼X射线光学组件。龙虾眼有何奇妙之处?中国引领的使用“龙虾眼光学”的爱因斯坦探针,又是一个什么样的科学观测计划?
 
《天问》专栏第六期,带你一览天文学家们是如何从龙虾的眼睛里获取灵感,从而创造出天文望远镜的故事。此外,文末附上《天问》专栏第五期赠书活动幸运读者的名单,以及,新书福利!
 
撰文 | 张臣(国家天文台)
责编 | 吕浩然
 
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在伦琴为自己夫人拍摄那张著名的手的X射线照片(图 1) 60余年后,人类终于在卫星上装配了X射线探测设备,进而开启了利用一种新的波段观测宇宙的时代。在这些仪器的帮助之下,我们看到了一个动态万千、躁动不安甚至狂暴的宇宙。
 
在X射线波段(波长介于0.01纳米 ~ 10纳米之间),大多数天体呈现着复杂的亮度变化,时常会因倏然增亮而暴露于观测视野中,有些很快又会再次消隐不见。而一些原本在可见光波段暗弱到难以被探测的天体,在X射线波段却表现地异常明亮,黑洞就是一个典型代表,第一个黑洞候选体也是这样被发现的。
宇宙中很多剧烈爆发的现象都与黑洞有关,比如被称之为宇宙中最为剧烈的爆发现象——伽马射线暴(简称伽玛暴)[1]。
 
伽玛暴通常被认为是在大质量恒星死亡(持续时标较长)或者致密天体并合(持续时间较短)形生黑洞时产生的,而黑洞又会产生超亮的高能“手电筒”。它在爆发那一瞬,可将大约一个太阳的质量转化成辐射能量,这些能量巨大到上百亿光年外都能被观测到。
 
而另外一个炙手可热的研究领域——引力波天文学也与黑洞有关。2016年2月,美国自然基金委员会联合Caltech和MIT的科学家们[2]宣布,他们直接探测到了来自于双黑洞合并的引力波,为我们打开了一扇新的观测宇宙的窗口。目前探测到的几例引力波事件都没有相应的电磁辐射,所以对于引力波天体的研究,目前还停留在“仅闻其声,不见其形”的阶段。
 
而对于其它可能的引力波源,比如双中子星合并,在产生强烈引力波的同时,也还会产生很强的高能辐射(包括X射线),所以X射线的观测必然对于这些天体的后续研究产生重要影响。
 
然而,在我们的宇宙当中,不仅前面提及的几种现象会产生高能辐射,还有很多的情形都有可能会产生。图 2列举了大量丰富多彩、充满了未知的X射线暂现源/爆发源,与我们通常所了解的物理环境相比较,这些现象通常都产生于一些极端的物理环境中,如超高温、强磁场、强引力场、相对论性的高速物质运动等。而这些极端环境往往是地面实验室不可能有的,所以对于基础物理研究有着重要的意义。
 
X射线,桀骜不逊的光子
 
在利用X射线揭示宇宙的动态变化方面,天文学家也受到探测技术的限制,原因在于X射线光子能量非常高,很难被聚集起来。
 
即便是最低能的X射线光子,携带的能量也是可见光光子能量的百倍。人眼能见的光子能量大致在1.5~3电子伏特之间,对应的光谱波长约为780-380 纳米。而最“软”的X射线光子能量也超过了100 电子伏特。这些光子的穿透性极强,很难像可见光一样被望远镜聚焦,发出这些光子的天体观测自然也需要一些特殊的手段。
 
X射线望远镜:直线光学和聚焦成像
 
为了知道X射线光子从天空中哪个位置来的(或者说哪颗天体发出了X射线),通常采用的办法有两种:直线光学法以及聚焦成像法(能量更高的光子还有追踪光子与物质作用产生的次级粒子径迹的方法)。直线光学法是利用光子沿直线传播的原理,通过遮挡的方式调制仪器视场,从而获取光子的方向矢量。这其中最简单的是准直器,就如同我们小时候玩的“纸筒看世界”的游戏。
 
纸筒会遮挡我们视线的大部分视场,只能看到纸筒指向内的小范围景物。也就是说,纸筒指向哪个方向,就只能看到那个方向的光子。当然,天文学家们用的“纸筒”都是用重金属做的,精度和可靠性要求极高,价格大概只能用与它重量相当的黄金计算。
 
今年发射的慧眼卫星就使用了准直器(图 3)成像设备来观测X射线天体,这种方法是X射线天文中最早使用的探测方式。然而,尽管这种方式制造起来相对容易和简单,却因其空间定位的精确度较差,目前更多的望远镜使用了精确度更高的第二种方法——聚焦成像。
 
 
聚焦成像的方法是设法改变X射线光子的传播方向,使其能像光学望远镜一样将光线汇聚起来,成为焦面上的一个小光斑(图 4上),不同方向的X射线光子(不同的天体)形成的小光斑在焦面上的空间位置不同。而常见的X射线聚焦利用的则是X射线的掠射原理,可简单理解为入射X射线的全反射。
 
目前常见的聚焦系统由一个双曲面和一个抛物面结合而成,X射线经过两次全反射后被聚焦。对于掠射式X射线光学,入射光几乎平行于反射镜面,造成反射面的有效面积极低(正比于反射面在入射光方向的投影),这也是X射线天文探测技术中的最大障碍。为了提高掠射镜面的有效面积,一个X射线光学系统需要若干(几十到上百个,图 4下)个嵌套的反射面。
 
而为了提高X射线光子的聚焦度,反射面的表面也必须非常光滑,目前的工艺水准可以将表面的起伏差限制在0.5 纳米左右,仅相当于一个原子的直径,这也代表了人类光学加工的最高水平。
对于两种X射线观测设备来说,仪器特性有着巨大差别。直线光学型设备可以适用的能量很广,价格也相对低廉,但在焦面上每一个点的信号都是仪器视场内各个方向信号的叠加,想看的、不想看的光子都混杂在一起。再加上为追求光子收集能力,焦平面需要很大,致使地球周围的荷电粒子本底干扰(荷电粒子能在探测器中产生类似光子的信号,这是一种噪声干扰)也很大。这就如同在工地上带着耳机听歌,恐怕只有雷鸣般的摇滚才能听得下去。
 
而聚焦型设备,焦面上每一个点仅包含一个方向来(可简单认为是一个天体)的光子信号,视场内的其它天体或者本底的干扰极小,如在一个极其安静的房间内听歌,丝丝齿音皆清晰可辨。这也注定了聚焦型设备在观察弱源的能力(灵敏度指标)上要高出同等规模的直线光学型设备一个数量级。
 
对于时域天文学家来说,一个监视型设备的视场越大越好,因为视场越大,看到随机事件的可能性越大;然而另一方面,为了看到比以往更弱的爆发现象,就需要使用聚焦成像的技术。这简直是一个矛盾的组合:传统的聚焦X射线望远镜视场不超过1平方度,而对于时域天体物理学家来说,他们的对未来大视场监视设备的需求是大于一个立体角(大致为3600平方度)的X射线聚焦望远镜!其实也不是很过分,视场需求仅大了3个数量级而已!
 
龙虾,我们走!天文学家也需要你
 
如何解决这个矛盾的组合?科学家们从龙虾眼球的结构中找到了灵感。
 
龙虾,甲壳纲十足目动物的杰出代表,也是吃货们心中的极品食材。它们特殊构造的眼球给了X射线天文学家一个启发:这些神奇的动物的眼球使用反射成像(绝大部分动物包括人都使用折射成像,龙虾是怎么进化出来的?!),由大量的正交排布的、方孔形状的微型管道构成,管道壁光滑且指向同一球心。这样的结构会使得各个方向的光线汇聚到它们凸起的球形视网膜上。图 7给出的是模拟的龙虾眼X射线望远镜对于X射线天空成像的结果,实在很难想象龙虾眼中的世界是一个怎样的、光怪陆离的情形。
美国亚利桑那大学Roger Angel正是受到了Michael F. Land关于甲壳纲十足目动物眼睛研究[4]的启发,于1979年在其文章“龙虾眼作为X射线望远镜(Lobster Eye As X-ray Telescopes)”[3]中提出的一种X射线成像光学构型(optical configuration),其主要目的为了实现理论上视场不受限制的X射线聚焦望远镜。利用正交排布的方形微管道及相互垂直的光滑内壁(光洁度均方根值优于1 纳米)对X射线进行全反射(图 6)。
 
由于所有微管道指向同一个球心(微管道径向中心所在球面曲率半径为R),当光子在一个微管道相互垂直的两组壁上发生反射时,就汇聚到焦面上的焦点以及通过焦点的直线上,其成像(即其点扩展函数,Point Spreading Function)为十字型。这里需要指出的是龙虾眼光学系统的焦面是一个球面,曲率半径为R/2。龙虾眼光学系统没有特定的光轴,视场可以覆盖全部立体角,这也是这种系统独一无二的特性,而广泛使用的轴对称Wolter型X射线望远镜视场很难超过1度。
 
当然,为了实现大的视场,龙虾眼望远镜在成像光路中使用了大量的几何光学近似,像差较大。在焦距375毫米的情况下,其极限分辨率接近30角秒。然而由于工艺的原因,目前最好的龙虾眼望远镜角分辨率约为4角分,远未接近理论极限,单从角分辨率指标来看,龙虾眼在所有X射线聚焦望远镜中算是差等生。尽管如此,对于时域天文学家来说,4角分和理论不受限的视场,已经达到了他们心中的最低预期(工程师内心独白:科学家的都是偏执狂)。
 
在提出龙虾眼光学设想后的很长一段时间内,相关光学器件都无法生产,原因在于大规模、高质量地制作长径比50:1左右(中国99主战坦克那根125毫米直径、6米多长的炮管也就51:1的管状结构)、孔径几十微米的正方形管道结构无疑对微加工技术提出了巨大的挑战。在借鉴了用于微光夜视的微通道板(Micro-Channel Plate, MCP)的玻璃拉丝工艺后,才逐渐研制出了微孔光学器件(Micro-Pore Optics, MPO)。
 
目前典型的微孔光学器件器件尺寸为40毫米*40毫米,厚度为1毫米,包含了上百万个边长20微米、长1毫米的微小方孔微通道结构(图 8)。一个完整的龙虾眼望远镜则由几十个,甚至上百个微孔光学器件拼接而成(图 9)。微孔光学器件微通道加工时的微小变形和统计特性误差是目前制约龙虾眼成像质量的主要因素。
 
爱因斯坦探针——未来之星
 
高能时域天文学是天文学一个重要的分支,人类启动了大量的高能时域卫星项目用于探索宇宙的秘密(图 10)。然而到目前为止,没有任何大视场的X射线监视设备能够跨越图中那条灵敏度的鸿沟,将视野真正拓展到银河系外。龙虾眼光学系统的大视场、高灵敏度特点也成为未来X射线时域天文望远镜的首选。
 
正是看到了龙虾眼望远镜的这个突出的优点,国际上提出了若干项目试图在高能时域天文学的若干基本问题,如支配宇宙的基本规律和宇宙的起源上做出突破性进展。例如正在申请欧空局的M5项目中的THESEUS卫星,以及提交美国航天局的TAP项目,都使用了大视场的龙虾眼望远镜。但由于种种原因,这些项目皆停留在论证阶段。
 
令人高兴的是,这一次中国天文学家走到了世界的前面。中国科学院空间A类先导专项支持研制的一颗龙虾眼X射线天文卫星,正处于立项的最后阶段,载荷的工程研制也已经全面展开。该卫星被暂时命名为爱因斯坦探针(Einstein Probe,简称EP,http://ep.bao.ac.cn/),一方面是向科学巨人致敬,因为爱因斯坦探针主要的科学目标中涉及到的黑洞和引力波都是爱因斯坦相对论的预言;另一方面,它是预期中能够有效拓展科学家视野的革命性工具(图 10),这个名字寄寓着对其科学发现能力的巨大期望。
 
 
爱因斯坦探针的科学目标可以用一句话总结[6]:在尚未有效探索的软X射线波段,以国际上最高的探测灵敏度、在迄今监测范围最广的宇宙空间中发现突变天体和监测天体的活动性,发现和探索各种尺度的、沉寂的黑洞,探测引力波源的电磁波对应体并精确定位。此次,中国天文学家将有望在国际舞台上大显身手,我们也期待着一个激动人心的时代的到来。
 
参考文献:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_burst
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/First_observation_of_gravitational_waves
[3] J.R.P.Angel, Lobster Eyes As X-Ray Telescopes, The Astrophysical Journal, Vol. 233, P363-373, 1979 
[4] M. F Land, Animal Eyes with Mirror Optics, Scientific American, 239, 126, 1978
[5] Donghua, Zhao; Chen Zhang, Weimin Yuan, et. al., Ray tracing simulations for the Wide-field X-ray Telescope of the Einstein Probe mission based on Geant4 and XRTG4, SPACE TELESCOPES AND INSTRUMENTATION 2014: ULTRAVIOLET TO GAMMA RAY, Proceedings of SPIE, Volume 9144, 91444E, DOI: 10.1117/12.2055434, 2014
[6] YUAN Weimin, OSBORNE Julian P, ZHANG Chen, WILLINGALE Richard. Exploring the Dynamic X-ray Universe: Scientific Opportunities for the Einstein Probe Mission. Chinese Journal of Space Science, 2016, 36(2): 117-138, http://www.cjss.ac.cn/CN/10.11728/cjss2016.02.117 .
 
作者简介:
 
张臣,青年研究员,中国科学院国家天文台X射线成像实验室执行主任,爱因斯坦探针卫星载荷研制团队核心成员,中科院青年创新促进会优秀会员。毕业于清华大学工程物理系,主要研究方向为X射线空间天文仪器。
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