亚洲 a v无 码免 费 成 人 a v,性欧美videofree高清精品,新国产三级在线观看播放,少妇人妻偷人精品一区二区,天干天干天啪啪夜爽爽av

?深邃而寧靜的星空在高能天體物理學(xué)家眼里，如梵高的名畫《星夜》，躁動不安。

責(zé)編 | 呂浩然

在倫琴為自己夫人拍攝那張著名的手的X射線照片（圖 1） 60余年后，人類終于在衛(wèi)星上裝配了X射線探測設(shè)備，進(jìn)而開啟了利用一種新的波段觀測宇宙的時代。在這些儀器的幫助之下，我們看到了一個動態(tài)萬千、躁動不安甚至狂暴的宇宙。

在X射線波段（波長介于0.01n納米 ~ 10納米之間），大多數(shù)天體呈現(xiàn)著復(fù)雜的亮度變化，時常會因倏然增亮而暴露于觀測視野中，有些很快又會再次消隱不見。而一些原本在可見光波段暗弱到難以被探測的天體，在X射線波段卻表現(xiàn)地異常明亮，黑洞就是一個典型代表，第一個黑洞候選體也是這樣被發(fā)現(xiàn)的。

?圖 1 ：倫琴夫人的手（X射線透視照片，Wilhelm R?ntgen, via SSPL/Science Museum/Getty Images）

宇宙中很多劇烈爆發(fā)的現(xiàn)象都與黑洞有關(guān)，比如被稱之為宇宙中最為劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——伽馬射線暴（簡稱伽瑪暴）[1]。

伽瑪暴通常被認(rèn)為是在大質(zhì)量恒星死亡（持續(xù)時標(biāo)較長）或者致密天體并合（持續(xù)時間較短）形生黑洞時產(chǎn)生的，而黑洞又會產(chǎn)生超亮的高能“手電筒”。它在爆發(fā)那一瞬，可將大約一個太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成輻射能量，這些能量巨大到上百億光年外都能被觀測到。

而另外一個炙手可熱的研究領(lǐng)域——引力波天文學(xué)也與黑洞有關(guān)。2016年2月，美國自然基金委員會聯(lián)合Caltech和MIT的科學(xué)家們[2]宣布，他們直接探測到了來自于雙黑洞合并的引力波，為我們打開了一扇新的觀測宇宙的窗口。目前探測到的幾例引力波事件都沒有相應(yīng)的電磁輻射，所以對于引力波天體的研究，目前還停留在“僅聞其聲，不見其形”的階段。

而對于其它可能的引力波源，比如雙中子星合并，在產(chǎn)生強(qiáng)烈引力波的同時，也還會產(chǎn)生很強(qiáng)的高能輻射（包括X射線），所以X射線的觀測必然對于這些天體的后續(xù)研究產(chǎn)生重要影響。

然而，在我們的宇宙當(dāng)中，不僅前面提及的幾種現(xiàn)象會產(chǎn)生高能輻射，還有很多的情形都有可能會產(chǎn)生。圖 2列舉了大量豐富多彩、充滿了未知的X射線暫現(xiàn)源/爆發(fā)源，與我們通常所了解的物理環(huán)境相比較，這些現(xiàn)象通常都產(chǎn)生于一些極端的物理環(huán)境中，如超高溫、強(qiáng)磁場、強(qiáng)引力場、相對論性的高速物質(zhì)運(yùn)動等。而這些極端環(huán)境往往是地面實(shí)驗(yàn)室不可能有的，所以對于基礎(chǔ)物理研究有著重要的意義。

?圖 2 宇宙中一些重要的的X射線爆發(fā)現(xiàn)象列舉，供圖：袁為民

在利用X射線揭示宇宙的動態(tài)變化方面，天文學(xué)家也受到探測技術(shù)的限制，原因在于X射線光子能量非常高，很難被聚集起來。

即便是最低能的X射線光子，攜帶的能量也是可見光光子能量的百倍。人眼能見的光子能量大致在1.5~3電子伏特之間，對應(yīng)的光譜波長約為780-380 納米。而最“軟”的X射線光子能量也超過了100 電子伏特。這些光子的穿透性極強(qiáng)，很難像可見光一樣被望遠(yuǎn)鏡聚焦，發(fā)出這些光子的天體觀測自然也需要一些特殊的手段。

為了知道X射線光子從天空中哪個位置來的（或者說哪顆天體發(fā)出了X射線），通常采用的辦法有兩種：直線光學(xué)法以及聚焦成像法（能量更高的光子還有追蹤光子與物質(zhì)作用產(chǎn)生的次級粒子徑跡的方法）。直線光學(xué)法是利用光子沿直線傳播的原理，通過遮擋的方式調(diào)制儀器視場，從而獲取光子的方向矢量。這其中最簡單的是準(zhǔn)直器，就如同我們小時候玩的“紙筒看世界”的游戲。

紙筒會遮擋我們視線的大部分視場，只能看到紙筒指向內(nèi)的小范圍景物。也就是說，紙筒指向哪個方向，就只能看到那個方向的光子。當(dāng)然，天文學(xué)家們用的“紙筒”都是用重金屬做的，精度和可靠性要求極高，價格大概只能用與它重量相當(dāng)?shù)狞S金計(jì)算。

今年發(fā)射的慧眼衛(wèi)星就使用了準(zhǔn)直器（圖 3）成像設(shè)備來觀測X射線天體，這種方法是X射線天文中最早使用的探測方式。然而，盡管這種方式制造起來相對容易和簡單，卻因其空間定位的精確度較差，目前更多的望遠(yuǎn)鏡使用了精確度更高的第二種方法——聚焦成像。

?圖 3  HXMT上的高能（HE）設(shè)備，可以看到X射線準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)

聚焦成像的方法是設(shè)法改變X射線光子的傳播方向，使其能像光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣將光線匯聚起來，成為焦面上的一個小光斑（圖 4上），不同方向的X射線光子（不同的天體）形成的小光斑在焦面上的空間位置不同。而常見的X射線聚焦利用的則是X射線的掠射原理，可簡單理解為入射X射線的全反射。

目前常見的聚焦系統(tǒng)由一個雙曲面和一個拋物面結(jié)合而成，X射線經(jīng)過兩次全反射后被聚焦。對于掠射式X射線光學(xué)，入射光幾乎平行于反射鏡面，造成反射面的有效面積極低（正比于反射面在入射光方向的投影），這也是X射線天文探測技術(shù)中的最大障礙。為了提高掠射鏡面的有效面積，一個X射線光學(xué)系統(tǒng)需要若干（幾十到上百個，圖 4下）個嵌套的反射面。

而為了提高X射線光子的聚焦度，反射面的表面也必須非常光滑，目前的工藝水準(zhǔn)可以將表面的起伏差限制在0.5 納米左右，僅相當(dāng)于一個原子的直徑，這也代表了人類光學(xué)加工的最高水平。

?圖 4上：經(jīng)典的Wolter-I型X射線望遠(yuǎn)鏡光路，X射線在藍(lán)色所示的鏡片上發(fā)生了掠射而改變了方向匯聚到焦點(diǎn)；下：XMM-Newton衛(wèi)星上一個X射線光學(xué)鏡頭，由58層鏡片嵌套而成，圖片來源：歐洲航天局網(wǎng)站（http://sci.esa.int/xmm-newton/31318-x-ray-mirrors/）。

對于兩種X射線觀測設(shè)備來說，儀器特性有著巨大差別。直線光學(xué)型設(shè)備可以適用的能量很廣，價格也相對低廉，但在焦面上每一個點(diǎn)的信號都是儀器視場內(nèi)各個方向信號的疊加，想看的、不想看的光子都混雜在一起。再加上為追求光子收集能力，焦平面需要很大，致使地球周圍的荷電粒子本底干擾（荷電粒子能在探測器中產(chǎn)生類似光子的信號，這是一種噪聲干擾）也很大。這就如同在工地上帶著耳機(jī)聽歌，恐怕只有雷鳴般的搖滾才能聽得下去。

而聚焦型設(shè)備，焦面上每一個點(diǎn)僅包含一個方向來（可簡單認(rèn)為是一個天體）的光子信號，視場內(nèi)的其它天體或者本底的干擾極小，如在一個極其安靜的房間內(nèi)聽歌，絲絲齒音皆清晰可辨。這也注定了聚焦型設(shè)備在觀察弱源的能力（靈敏度指標(biāo)）上要高出同等規(guī)模的直線光學(xué)型設(shè)備一個數(shù)量級。

對于時域天文學(xué)家來說，一個監(jiān)視型設(shè)備的視場越大越好，因?yàn)橐晥鲈酱螅吹诫S機(jī)事件的可能性越大；然而另一方面，為了看到比以往更弱的爆發(fā)現(xiàn)象，就需要使用聚焦成像的技術(shù)。這簡直是一個矛盾的組合：傳統(tǒng)的聚焦X射線望遠(yuǎn)鏡視場不超過1平方度，而對于時域天體物理學(xué)家來說，他們的對未來大視場監(jiān)視設(shè)備的需求是大于一個立體角（大致為3600平方度）的X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡！其實(shí)也不是很過分，視場需求僅大了3個數(shù)量級而已！

如何解決這個矛盾的組合？科學(xué)家們從龍蝦眼球的結(jié)構(gòu)中找到了靈感。

龍蝦，甲殼綱十足目動物的杰出代表，也是吃貨們心中的極品食材。它們特殊構(gòu)造的眼球給了X射線天文學(xué)家一個啟發(fā)：這些神奇的動物的眼球使用反射成像（絕大部分動物包括人都使用折射成像，龍蝦是怎么進(jìn)化出來的？！），由大量的正交排布的、方孔形狀的微型管道構(gòu)成，管道壁光滑且指向同一球心。這樣的結(jié)構(gòu)會使得各個方向的光線匯聚到它們凸起的球形視網(wǎng)膜上。圖 7給出的是模擬的龍蝦眼X射線望遠(yuǎn)鏡對于X射線天空成像的結(jié)果，實(shí)在很難想象龍蝦眼中的世界是一個怎樣的、光怪陸離的情形。

?圖 5 龍蝦及其眼睛的顯微照片，其眼球上可見大量的方形結(jié)構(gòu)，圖片來源：NASA（https://www.nasa.gov/topics/technology/features/lobster-eyes.html）。其中，電子掃描顯微照片來自于Edward Gaten的文章（J. Comp. Physiol., A175, 749-759,1994）

美國亞利桑那大學(xué)Roger Angel正是受到了Michael F. Land關(guān)于甲殼綱十足目動物眼睛研究[4]的啟發(fā)，于1979年在其文章“龍蝦眼作為X射線望遠(yuǎn)鏡（Lobster Eye As X-ray Telescopes）”[3]中提出的一種X射線成像光學(xué)構(gòu)型（optical configuration），其主要目的為了實(shí)現(xiàn)理論上視場不受限制的X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡。利用正交排布的方形微管道及相互垂直的光滑內(nèi)壁（光潔度均方根值優(yōu)于1 納米）對X射線進(jìn)行全反射（圖 6）。

由于所有微管道指向同一個球心（微管道徑向中心所在球面曲率半徑為R），當(dāng)光子在一個微管道相互垂直的兩組壁上發(fā)生反射時，就匯聚到焦面上的焦點(diǎn)以及通過焦點(diǎn)的直線上，其成像（即其點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，Point Spreading Function）為十字型。這里需要指出的是龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的焦面是一個球面，曲率半徑為R/2。龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)沒有特定的光軸，視場可以覆蓋全部立體角，這也是這種系統(tǒng)獨(dú)一無二的特性，而廣泛使用的軸對稱Wolter型X射線望遠(yuǎn)鏡視場很難超過1度。

?圖 6 左上，現(xiàn)代工藝制作的龍蝦眼光學(xué)器件；右上，龍蝦眼器件的電子顯微鏡照片，可見大量的微小方孔微管道結(jié)構(gòu)；左下，M.F. Land在1976年為解釋龍蝦眼球成像而畫的光路圖（Nature, Vol. 263, 1976），他也是率先發(fā)現(xiàn)龍蝦眼成像秘密的科學(xué)家之一；右下，國家天文臺X射線成像實(shí)驗(yàn)室測量得到的龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)典型的成像光斑（PSF）。

當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)大的視場，龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡在成像光路中使用了大量的幾何光學(xué)近似，像差較大。在焦距375毫米的情況下，其極限分辨率接近30角秒。然而由于工藝的原因，目前最好的龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡角分辨率約為4角分，遠(yuǎn)未接近理論極限，單從角分辨率指標(biāo)來看，龍蝦眼在所有X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡中算是差等生。盡管如此，對于時域天文學(xué)家來說，4角分和理論不受限的視場，已經(jīng)達(dá)到了他們心中的最低預(yù)期（工程師內(nèi)心獨(dú)白：科學(xué)家的都是偏執(zhí)狂）。

?圖 7龍蝦眼光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對某個天區(qū)（300平方度）的模擬成像結(jié)果[5]，很難想象龍蝦看到的世界會是什么樣子。

在提出龍蝦眼光學(xué)設(shè)想后的很長一段時間內(nèi)，相關(guān)光學(xué)器件都無法生產(chǎn)，原因在于大規(guī)模、高質(zhì)量地制作長徑比50:1左右（中國99主戰(zhàn)坦克那根125毫米直徑、6米多長的炮管也就51:1的管狀結(jié)構(gòu)）、孔徑幾十微米的正方形管道結(jié)構(gòu)無疑對微加工技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。在借鑒了用于微光夜視的微通道板（Micro-Channel Plate, MCP）的玻璃拉絲工藝后，才逐漸研制出了微孔光學(xué)器件（Micro-Pore Optics, MPO）。

目前典型的微孔光學(xué)器件器件尺寸為40毫米*40毫米，厚度為1毫米，包含了上百萬個邊長20微米、長1毫米的微小方孔微通道結(jié)構(gòu)（圖 8）。一個完整的龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡則由幾十個，甚至上百個微孔光學(xué)器件拼接而成（圖 9）。微孔光學(xué)器件微通道加工時的微小變形和統(tǒng)計(jì)特性誤差是目前制約龍蝦眼成像質(zhì)量的主要因素。

?圖 8顯微鏡下的微孔光學(xué)器件的沿徑向剖面圖，可以看到眾多細(xì)長的方形微管道結(jié)構(gòu)。

?圖 9 龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡鏡頭的一個組件，它也是龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡的核心，大小約為18厘米*18厘米。

高能時域天文學(xué)是天文學(xué)一個重要的分支，人類啟動了大量的高能時域衛(wèi)星項(xiàng)目用于探索宇宙的秘密（圖 10）。然而到目前為止，沒有任何大視場的X射線監(jiān)視設(shè)備能夠跨越圖中那條靈敏度的鴻溝，將視野真正拓展到銀河系外。龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的大視場、高靈敏度特點(diǎn)也成為未來X射線時域天文望遠(yuǎn)鏡的首選。

正是看到了龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡的這個突出的優(yōu)點(diǎn)，國際上提出了若干項(xiàng)目試圖在高能時域天文學(xué)的若干基本問題，如支配宇宙的基本規(guī)律和宇宙的起源上做出突破性進(jìn)展。例如正在申請歐空局的M5項(xiàng)目中的THESEUS衛(wèi)星，以及提交美國航天局的TAP項(xiàng)目，都使用了大視場的龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡。但由于種種原因，這些項(xiàng)目皆停留在論證階段。

令人高興的是，這一次中國天文學(xué)家走到了世界的前面。中國科學(xué)院空間A類先導(dǎo)專項(xiàng)支持研制的一顆龍蝦眼X射線天文衛(wèi)星，正處于立項(xiàng)的最后階段，載荷的工程研制也已經(jīng)全面展開。該衛(wèi)星被暫時命名為愛因斯坦探針（Einstein Probe，簡稱EP，http://ep.bao.ac.cn/），一方面是向科學(xué)巨人致敬，因?yàn)閻垡蛩固固结樦饕目茖W(xué)目標(biāo)中涉及到的黑洞和引力波都是愛因斯坦相對論的預(yù)言；另一方面，它是預(yù)期中能夠有效拓展科學(xué)家視野的革命性工具（圖 10），這個名字寄寓著對其科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力的巨大期望。

?圖 10 X射線寬視場監(jiān)視器發(fā)展歷程，唯有EP跨過了那條靈敏度的鴻溝，供圖：袁為民

愛因斯坦探針的科學(xué)目標(biāo)可以用一句話總結(jié)[6]：在尚未有效探索的軟X射線波段，以國際上最高的探測靈敏度、在迄今監(jiān)測范圍最廣的宇宙空間中發(fā)現(xiàn)突變天體和監(jiān)測天體的活動性，發(fā)現(xiàn)和探索各種尺度的、沉寂的黑洞，探測引力波源的電磁波對應(yīng)體并精確定位。此次，中國天文學(xué)家將有望在國際舞臺上大顯身手，我們也期待著一個激動人心的時代的到來。

參考文獻(xiàn)：

[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 .