【天文儀器】

視界面望遠鏡首次進行黑洞成像觀測

對于黑洞的形象，即使做了幾十年黑洞研究的科學家，也不是很確定。不過在2017年，科學家終于為黑洞拍下了第一張真正的照片。在2017年4月5—14日，由麻省理工學院科學家聯合全球30多個研究所的科學家開展了一項雄心勃勃的龐大觀測計劃，利用分布于全球不同地區(qū)的8個射電望遠鏡陣列組成一個虛擬望遠鏡網絡，其有效口徑尺寸可達到地球直徑大小，它由兩個相距最遠的望遠鏡距離決定。

圖7 望遠鏡全球分布示意 圖片來源：“科技導報”微信公眾號

黑洞，一個連光都難以逃脫的天體，自從被廣義相對論在1916 年理論預言，人們就一直對它充滿了好奇。20世紀60年代天鵝座黑洞X-1的偶然發(fā)現，成為黑洞的第一個候選體。到目前為止，天鵝座X-1黑洞已經被確認，許多其他的黑洞也已經被發(fā)現。根據黑洞質量的大小，天文學家將之劃分為恒星量級的黑洞和超大質量的黑洞。天鵝座X-1黑洞就是恒星量級黑洞的經典代表，而銀河系中心的黑洞Sgr A*是超大質量黑洞的代表。

黑洞自身不發(fā)光，難以直接探測，科學家通常采用“曲線救國”方式，即利用觀察周圍恒星的運動來測量質量，如果超過一定質量或者在狹小的空間之內質量過大，就可以判斷其為黑洞，然而最為確定的方式是直接觀測到黑洞。

視界面望遠鏡此次觀測目標主要有兩個，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87 中的黑洞。之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標，是因為它們的視界面在地球上看起來是最大的。其他黑洞因為距離地球更遠或質量大小有限，觀測的難度更大。

要想看清楚兩個黑洞視界面的細節(jié)，視界面望遠鏡的空間分辨率要達到足夠高，需比哈勃望遠鏡的分辨率高出1000倍以上?？茖W家之前可以利用單個望遠鏡實現黑洞周圍恒星位置的測量，但是相較于恒星與黑洞之間的距離尺度(約在光年尺度以上，1光年=9.5× 10 12km)，視界面的尺度太過微小，因此利用單個鏡面很難完成。為增強空間分辨率，需采用“干涉”技術，即利用多個位于不同地方的望遠鏡在同一時間進行聯合觀測，最后將數據進行相關性分析后合并，這一技術在射電波段已相當成熟。

根據視界面望遠鏡項目組成員、馬普射電天文研究所所長Michael Kramer所言，“所有觀測結果都很好，而且南極觀測數據也已經拿到”。因為視界面望遠鏡要處理的數據量巨大，為黑洞“洗照片”的耗時恐怕有些漫長，黑洞的面貌究竟是否真如作家、藝術家或電影導演所呈現的那般，讓我們期待2018年。

“慧眼”衛(wèi)星發(fā)射成功，開啟中國X射線天文學時代

2017年6月15日上午11時，中國第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”。

圖8 HXMT衛(wèi)星發(fā)射升空 圖片來源：“科技導報”微信公眾號

由于地球大氣的吸收，對天體X射線的觀測只能在大氣層之上進行。自1970年世界首顆天文X射線衛(wèi)星Uhuru發(fā)射以來，人類至今共發(fā)射了50多臺X射線天文望遠鏡，如NASA 的Chandra 和歐洲航天局的XMM-Newton。中國由于技術和經費原因，HXMT的研制過程異常艱辛。如今在科學家20多年的不懈努力之下，“慧眼”上天，中國X射線天文學時代終于到來。

“慧眼”又名硬X射線調制望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器，利用簡單成熟的準直型望遠鏡實現高靈敏度快速成像。科學目標是進行X射線銀盤巡天，對可能的黑洞、中子星等X射線源進行定點研究，同時對遙遠的宇宙學距離上的伽馬射線暴進行監(jiān)測。

“慧眼”發(fā)射后，科學家對它進行了詳細全面的在軌測試工作。經過5個月的測試，HXMT衛(wèi)星和有效載荷的各項功能、性能均符合研制總要求，有效載荷工作原理和科學應用系統(tǒng)得到驗證，取得了初步科學成果。尤其是參與了轟動全球的雙中子星并合產生引力波及電磁對應體事件的探測，對其伽馬射線電磁對應體在百萬電子伏特能區(qū)的輻射性質給出了嚴格的限制，為理解該引力波事件做出了積極貢獻。

繼“慧眼”之后，中國科學家已經開始著手研制其他項目的X射線衛(wèi)星，包括在軟X射線波段巡天的愛因斯坦探針衛(wèi)星也在積極準備申請中，其巨大的探測面積和高精度的時間分辨率將幫助科學家看到更精細的天體結構和發(fā)現更多的天文現象。

別了，卡西尼！

美國東部時間9月15日7∶45，“卡西尼號”，自此結束了它20年的太空征程和13年的土星探索時期。因為距離遙遠，當NASA接收到最后信號時，“卡西尼號”實際已經消失83 min。

圖9 “卡西尼號”墜落想象圖 圖片來源：NASA

該探測器20年間22次穿越土星與土星環(huán)之間，收集重要數據并拍下珍貴照片，總共向地球傳回635 GB科學數據、執(zhí)行了250萬條指令，圍繞土星軌道近300次，發(fā)現了6個衛(wèi)星，并為泰坦海底可能存在海洋提供了證據。

“卡西尼號”是“卡西尼-惠更斯號”探測器的一個組成部分。“卡西尼-惠更斯號”是美國國家航空航天局、歐洲航天局和意大利航天局的一個合作項目，攜帶了27種最先進的科學儀器設備，主要任務是對土星系進行空間探測。“卡西尼號”探測器以意大利出生的法國天文學家卡西尼的名字命名，其任務是環(huán)繞土星飛行，對土星及其大氣、光環(huán)、衛(wèi)星和磁場進行深入考察。而搭載的“惠更斯號”是用來探測土星最大衛(wèi)星土衛(wèi)六的探測器。

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯號”從美國的卡納維拉角發(fā)射升空。從地球到土星，“卡西尼號”飛了7年。借助引力彈弓效應，先后2次掠經金星，最終抵達土星。

“卡西尼號”從2004年進入土星軌道以來，已經運行了13年，飛掠泰坦多達127次。而隨“卡西尼號”一起的“惠更斯號”在2005年登陸泰坦，收集到了這顆土星衛(wèi)星的第一手數據，土衛(wèi)六是太陽系中的第二大衛(wèi)星，因為其表面分布著大量液態(tài)烷烴，被懷疑可能存在生命。美國國家航空航天局猜測液態(tài)烷烴的海洋能夠支持生命，因為在地球早期也有類似的大氣成分，嗜好烷烴的生命有可能在那兒生存。

“卡西尼號”原計劃在2008年就達到其設計壽命，2017年“卡西尼號”攜帶的燃料所剩無幾，已經沒有能力來改變它的飛行軌道。為了避免失去動力的飛船撞向土星的衛(wèi)星，破壞后續(xù)的探測任務，因此NASA選擇讓它墜入土星大氣層自毀。“卡西尼號”以極超音速進入土星大氣層，短短幾分鐘內便會熔化，化為灰燼。因為探測器不會有任何大的有機分子幸存，而且土星并不是一顆適居性星球，這也是NASA決定讓“卡西尼號”墜毀土星的原因。

盡管“卡西尼號”已墜毀，它的2個繼任者已經在籌備當中，即將探索稍微靠近的木星系統(tǒng)。歐洲航天局的“果汁”任務將于2022年發(fā)射，探索木星和木衛(wèi)三系統(tǒng)。同年，美國國家航空航天局將利用新型超級運載火箭SLS發(fā)射“歐羅巴快帆號”。這項任務投資20多億美元，將45次近距離飛躍木衛(wèi)二歐羅巴，研究這顆衛(wèi)星的宜居性。

FAST首次探測到脈沖星

2017年10月10日，中國科學院國家天文臺公布了500 m口徑球面射電望遠鏡在竣工后1年取得的首批成果，包括探測到數顆優(yōu)質脈沖星候選體，其中2顆已通過國際認證。這不僅是中國歷史上首次利用自行研制的天文學設備探測到脈沖星，也表明望遠鏡調試進展超過預期，在1年內實現了基本觀測功能。

位于中國貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼喀斯特洼坑的FAST又稱“中國天眼”，是目前世界最大、靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡。由4450 塊反射面板單元、6670根主索、2225根下拉索和2225個促動器組成的主動反射面系統(tǒng)，接收面積相當于30個足球場大小，比此前最大、被譽為人類20世紀十大工程之首的美國Arecibo望遠鏡的靈敏度還要高2倍多?；?項全部中國知識產權的自主創(chuàng)新——選址方法、索網主動反射面、柔性索結合并聯機器人的饋源支撐，突破了射電望遠鏡工程極限。

如此龐大復雜的FAST，其建設和調試難度可想而知。FAST于2016年9月26日竣工，隨后進行了調試、標定望遠鏡性能及試觀測等工作，2017年8月27日，FAST首次實現跟蹤觀測，并穩(wěn)定地獲取目標源的信號。隨后，又成功地實現了換源、編織掃描、跟蹤等多種觀測模式。至此，FAST完成了望遠鏡的功能性調試。

中國科學院國家天文臺將在未來2年繼續(xù)對FAST進行調試，以期達到設計指標，通過國家驗收，實現面向全國學者的開放。同時進一步驗證、優(yōu)化科學觀測模式，繼續(xù)催生天文發(fā)現，力爭早日將FAST打造成為世界一流水平望遠鏡設備。

【結論與展望】

2017年，天文事件精彩紛呈，最為突出的依舊是引力波探測，有設備才能有大發(fā)現，這也體現了天文學是發(fā)現型學科的本質。視界面望遠鏡觀測成功，數據處理正在進行中，期望2018年得到人類歷史上第一幅黑洞圖像，能看到它的真實面目，著實令人興奮。中國的HXMT“慧眼”衛(wèi)星運行超乎想象的好，正式觀測在即，必將做出很多意想不到的發(fā)現。FAST 在2018年3月即將對收集信號的饋源做出升級，從現有的一個像素更新到19個饋源，這樣會使觀測效率大為提高，因此可以預計無論是從發(fā)現脈沖星或者做出其他發(fā)現的速度將會得到大大加快。另外暗物質探測衛(wèi)星“悟空”運行狀態(tài)也很好?？梢钥吹街袊挠^測設備在迎頭趕上，并且有超越之勢。期待中國的天文設備能夠順利運行，發(fā)現更多的宇宙神秘現象。