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中國科學家獲得國際上首批宇宙大視場X射線聚焦成像天圖

文章來源: | 發(fā)布時間:2022-08-27 | 【打印】【關閉】
  8月27日,在太原舉行的第二屆中國空間科學大會上,來自中國科學院國家天文臺的研究人員發(fā)布了 EP-WXT 探路者的首批在軌實測結(jié)果。該設備是愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星寬視場X射線望遠鏡(WXT)的一個實驗模塊,于北京時間2022年7月27日搭載由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制的空間新技術試驗衛(wèi)星(SATech-01)發(fā)射升空。該項實驗旨在開展一系列在軌測試和觀測實驗,為未來EP-WXT盡早開展科學運行奠定基礎。EP衛(wèi)星是由中科院主導的衛(wèi)星,歐洲空間局和德國馬普地外物理研究所參與合作,計劃于2023 年底發(fā)射。
  該儀器采用了先進的微孔龍蝦眼X 射線聚焦成像技術,觀測視場可達340 平方度(18.6度x18.6度),是國際上首個寬視場 X 射線聚焦成像望遠鏡。相比國際上其它X射線聚焦成像望遠鏡,其視場大小提高了100倍左右。截至目前,儀器已開展了為期4天的在軌測試觀測,成功獲得了一批天體的真實X 射線實測圖像和能譜。這是國際上首次獲得并公開發(fā)布的寬視場X 射線聚焦成像天圖。儀器的關鍵器件包括36 片微孔龍蝦眼鏡片組成的X射線聚焦鏡組件和4片大陣列CMOS傳感器組成的焦面探測器,均為我國自主研發(fā)。這也是首次將 CMOS 傳感器應用于空間X射線天文探測。 EP衛(wèi)星將搭載12個相同的 WXT望遠鏡模塊,總視場可達3600多平方度。
  科學家利用該儀器首先觀測了銀河系中心天區(qū)(圖 1)。結(jié)果顯示,單次觀測就能夠同時探測到多個方向上的X 射線源,包含了恒星級質(zhì)量黑洞和中子星。觀測也捕捉到一個X射線輻射增亮數(shù)倍的中子星X射線雙星(圖2左)。同時,從數(shù)據(jù)中還能獲得這些天體X射線輻射強度隨時間變化的信息,以及天體的X 射線能譜。觀測結(jié)果與仿真結(jié)果(圖2右)相比高度一致。該儀器也觀測了銀河系的近鄰星系——大麥哲倫云(圖3),單次觀測即可覆蓋整個星系,同時探測到包含黑洞和中子星的多個X射線源。通過未來更多的觀測,寬視場望遠鏡將能高效地監(jiān)測天體的X射線光變,預期將發(fā)現(xiàn)新的暫現(xiàn)源。圖4展示了對著名的天鵝座超新星遺跡的成像結(jié)果,表明了龍蝦眼望遠鏡對彌散源的成像能力。對超新星遺跡 Cas A 的觀測,則充分展示了CMOS探測器優(yōu)秀的X射線能譜分辨率(圖5)。儀器還探測到距離8.14 億光年的遙遠類星體的X射線,證明其對較暗弱的X射線源的探測能力(圖6)。
  初步測試結(jié)果表明,儀器功能正常,為滿足EP寬視場望遠鏡的科學需求奠定了堅實的基礎。EP衛(wèi)星首席科學家、中科院國家天文臺袁為民博士表示,“這些結(jié)果十分激動人心,表明我們的儀器能夠獲得預期科學數(shù)據(jù),為此我們付出了十多年的努力。我對未來EP的科學能力充滿信心“。國際上該領域著名專家,英國萊斯特大學P. O’Brien教授和R. Willingale教授表示:“WXT首光結(jié)果令人印象深刻。這是第一個寬視場 X 射線聚焦望遠鏡,創(chuàng)造了一個新記錄。…… 幾十年來,我們一直在期待一個真正的寬視場軟X 射線望遠鏡,EP-WXT探路者的成功運行令人振奮。這項技術將對X 射線天空的監(jiān)測帶來變革性的推動,這項試驗也表明了EP衛(wèi)星巨大的科學潛力?!?/div>
  該儀器由中科院國家天文臺和中科院上海技術物理研究所聯(lián)合研制,國家天文臺X射線成像實驗室于2011年開始研發(fā)龍蝦眼X射線成像技術,與北方夜視技術股份有限公司開展密切合作,聯(lián)合研發(fā)核心微孔光學器件,器件由北方夜視提供。中科院國家空間科學中心和中科院電工研究所也參與儀器的研制。SATech-01是中科院空間新技術試驗衛(wèi)星系列的首發(fā)星,由中科院立項。EP衛(wèi)星由中科院空間科學(二期)戰(zhàn)略性先導專項支持,中科院國家空間科學中心是空間科學(二期)先導專項總體單位,衛(wèi)星由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制。 
圖1:寬視場 X射線望遠鏡模塊對銀河系中心天區(qū)單次觀測獲得的X射線圖像(視場18.6度x18.6度)。背景為Gaia的光學全天圖像(銀河系 Gaia圖片來自https://www.sci.news/astronomy/gaia-second-release-05950.html)。
圖2:對銀河系中心天區(qū)單次觀測獲得的X射線圖像(左圖)和仿真圖像(右圖),左右圖的觀測時長同為800秒,視場18.6度x18.6度。(左圖中紅色標記的是捕捉到的一個變亮的中子星 X 射線雙星)。
圖 3:左圖:近鄰星系大麥哲倫云的DSS光學圖像(https://archive.eso.org/dss/dss);右圖:寬視場 X 射線望遠鏡對大麥哲倫云進行700秒觀測后得到的X射線圖像(1 個 CMOS視場,9.3度x9.3度)。
圖 4:觀測到的天鵝座環(huán)狀星云 (角直徑2.5 度) 的X 射線偽彩色圖像(顏色代表光子的能量,紅色 0.3-0.6 keV; 綠色 0.6-0.8 keV; 藍色 0.8-2.0 keV),觀測時長為600秒。
圖 5:觀測到的超新星遺跡 Cas A 的X射線能譜,觀測時長為1100秒。分析表明能譜分辨率為150 eV
圖 6:對遙遠的類星體 3C 382 (紅移0.056,距離8.14 億光年)的探測,表明儀器具有對較暗弱X 射線源的探測能力
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