NuSTAR:探索高能X射线宇宙

Michael E. Bakich 文 Shea 编译

核分光望远镜阵(NuSTAR)可以看到其他望远镜无法看见的高能X射线,为研究最古老黑洞和最年轻超新星提供了一条新的途径。

千百年来,天文学家仅用自己的眼睛来审视我们的宇宙。虽然对我们来说相当有用,但肉眼只能探测到一种类型的电磁辐射——可见光。人类花了很长时间,才把目光移到了这个有限的波长范围之外。1800年,生于德国的英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)发现了红外辐射;次年,德国物理学家约翰·威廉·里特(Johann Wilhelm Ritter)发现了紫外线。在这之后还相继发现了微波(1864年)、射电波(1887年)、X射线(1895年)和γ射线(1900年)。每当在电磁波中开辟出新的领域,新的发现就会接踵而至。

在过去的一个世纪里,天文学家已经研究了所有形式的辐射,但始终无法在高能X射线波段获得清晰的影像。科学家们用电子伏特来定量描述辐射的能量。可见光的能量在1.6~3.4个电子伏特之间。但是,顾名思义,高能X射线的能量要高得多,在3 000~79 000电子伏特。观测这些“硬”X射线辐射正是核分光望远镜阵(NuSTAR)的专长。

[图片说明]:NuSTAR在轨的艺术概念图,它长10.2米的桅杆会在入轨后伸展开。版权:NASA/JPL-Caltech。

新的途径

地球的大气层会完全吸收掉这些高能的辐射——对我们来说是幸运的事情!因此,科学家们多年来一直使用高空气球、探空火箭以及卫星来摆脱大气层的干扰。

NuSTAR就是这样的一架空间望远镜。它的前身包括爱因斯坦天文台(1978年发射)、伦琴X射线天文台(1990年)、钱德拉X射线天文台(1999年)和牛顿X射线多镜面望远镜(1999年)。不过,这些望远镜中的探测器只能探测能量在100~10 000电子伏特之间的X射线辐射。鲜有卫星能在既不产生相当大的背景干扰又具有足够灵敏度的情况下观测到能量更高的X射线。

尽管收集硬X射线数据显然需要一架望远镜,但NuSTAR却差一点就胎死腹中。2005年,美国宇航局批准了这个项目,但一年后却由于预算削减而被取消。幸运的是,NuSTAR的团队最终说服了美国宇航局。

2012年6月13日,搭乘一枚“飞马”XL火箭,NuSTAR发射升空。现在,有几十个科学家和工程师团队正在通过NuSTAR所打开的这扇窗口来瞭望宇宙。

新的设计

NuSTAR由两个对齐的沃尔特望远镜构成,它也被称为掠射式望远镜。这是因为普通的望远镜镜面要么会吸收X射线,要么对X射线来说是透明的。NuSTAR的镜面具有特殊的镀膜,对于入射的辐射其倾角不超过2°。于是,X射线会在反射镜上以很小的角度被反射。它每一个光学组件的焦距都长达10.2米,位于一根长桅杆的端部。当NuSTAR进入轨道之后,桅杆就会伸展开。

为了聚焦X射线,除了需要小角度反射之外,还要使用特殊的材料。在此前的任务中采用黄金和铂金来这样的高密度元素来作为的涂层材料,但对于高能量X射线而言它们的效果并不理想。因此,对于NUSTAR,工程师为其涂覆了400层超薄材料,高密度(铂和钨)和低密度(硅和碳化硅)的材料交替出现。相比于之前的X射线望远镜,它在高能段上的灵敏度更高,分辨率也比以往提高了10倍。

NuSTAR的每个光学聚焦器件实际上是一组由内而外相互嵌套的130个同心壳层。工程师在壳层之间放置了石墨垫片,并用环氧树脂将它们束缚在一起。65个内壳层各有6个反光镜面,而65个外壳则每个含有12个镜面。

NuSTAR的主任务阶段只持续短短的2年,但美国宇航局极有可能会不断延长其工作时间。科学家们将用它来研究不可见的高能宇宙,尤其是天文学所钟爱的黑洞、耀变体和超新星。

审视黑洞

NuSTAR首批观测的目标之一便是银河系的核心。可见光望远镜无法穿透银心附近区域中的气体和尘埃云。幸运的是,高能X射线可以轻易地穿过所有这些物质,让NuSTAR能看到它们。

天文学家把NuSTAR指向——但并没有直接对准——了银河系的中心,那里潜藏着一个超大质量黑洞。它被称为人马A*,质量是太阳的大约400万倍。

以前的观测已在这个黑洞周围的区域中发现了许多的X射线源,所以那是一片狩猎恒星质量黑洞和其他另类天体的沃土。天文学家想知道,除了银心的超大质量黑洞之外,那里还有多少其他的黑洞。

当一颗大质量恒星爆炸成超新星时,它的核心会坍缩成一个超高密度的天体,天文学家称之为黑洞。它的引力非常强大,即使是光也无法从那里逃脱,因而看上去“黑”。

黑洞会吞下任何越过其引力边界的物体,这道边界被称为事件视界。就在它的外面,超高温的物质会形成一个吸积盘。这个盘会发出X射线,它可以向科学家吐露黑洞的存在,而黑洞本身则是无法被直接看到的。

一旦天文学家发现了一个黑洞,下一步就是测定它的质量和自转速度。黑洞的质量相差极大,从恒星质量黑洞——几倍于太阳质量——到超大质量黑洞——数百万甚至数十亿倍于太阳——不等。

科学家们也会使用NuSTAR来寻找位于其他星系中的黑洞。它首先会观测那些已经发现可见光和红外对应体的目标,即它们的位置和X射线源相重合。X射线单独无法告诉天文学家很多有关这些天体的信息,但其他波长的辐射——例如可见光——则可以。

[图片说明]:NuSTAR所观测到的银河系中心的X射线影像(中央插图)以及银心出现的X射线爆发过程(右侧:爆发前、爆发时、爆发后)。版权:NASA/JPL-Caltech。

新型黑洞

天文学家必须要放眼银河系之外,只有这样才能去探测一种神秘的天体,它被称为极亮X射线源,于20世纪80年代首次被发现。这些天体的X射线亮度高于任何的恒星或恒星质量黑洞,但又不及超大质量黑洞。这让天文学家们倍感困惑。关于极亮X射线源是什么有一些理论,但它们大多数都涉及到一种新型的黑洞。

目前,天文学家已经知道有恒星质量黑洞和超大质量黑洞,而新的发现则提出存在一个中间地带——中等质量黑洞,它的质量可以让恒星质量黑洞相形见绌,同时又远小于星系中心的超大质量黑洞。虽然天文学家已经知道了这些中等质量天体的存在,但却并不清楚它们是如何形成的。

中等质量黑洞究竟是如何形成的仍是一个悬而未决的问题。有些理论认为,在致密的星团中,它们可以通过不断的并合而形成,但也仍有不少问题有待解答。

最近,天文学家使用NuSTAR研究了一个中等质量黑洞可能的候选体ESO 97-G13,它位于1 300万光年远的圆规星系中,该星系是距离银河系最近的活动星系之一。在这个过程中,还利用了其他空间望远镜的归档数据,以此可以了解它在不同时期和不同波段上的样子。

结果显示,ESO 97-G13的质量大约为太阳的100倍。如果这一发现得到其他观测的确认,将意味着它是一个非常巨大的恒星质量黑洞,位于中等质量黑洞的质量范围的下边界附近。

黑洞计数

当然,NuSTAR也可以发现其他各种质量的黑洞,而且还是无心之举。当时天文学家正在观测已知的目标,但却在图像的背景中发现了10个超大质量黑洞。

天文学家发现,其他的X射线卫星此前已发现了它们,但直到NuSTAR的观测才使得这些黑洞激起了大家的兴趣。这些以及NuSTAR的其他发现将有助于天文学家估计出宇宙中究竟包含有多少个黑洞。

这个谜题一直可以追溯到1962年。当时,天文学家已经注意到了天空背景中弥漫着的X射线辉光,但却无从知晓它们的来源。现在,我们知道遥远的超大质量黑洞是它们的源头,但是仍需要NuSTAR来进一步探测和了解黑洞的整个族群。这正得益于NuSTAR的观测能力,它可以轻松得看“穿”遮挡超大质量黑洞浓厚物质墙。

结果显示,距离越遥远的超大质量黑洞,往往位于越大的星系中。这在预料之中,因为在宇宙更为年轻的时候,有更多较大的星系在碰撞、合并和成长。

[图片说明]:蓝色所标记的是NuSTAR探测到的超大质量黑洞发出的高能X射线,这些超大质量黑洞到我们的距离在30~100亿光年不等。版权:NASA/JPL-Caltech。

审视耀变体

最活跃的活动星系会在它们的两极把等离子体加速到接近光速的程度,形成喷流。天文学家相信,这些喷流发源来自这些星系中央的超大质量黑洞。

有时,黑洞的喷流会沿着其吸积盘的自转轴射出。当然,喷流的空间指向完全是任意的。但当它们指向地球的时候,就会在NuSTAR的眼中显得极其明亮,被称为耀变体。

围绕星系核心的大量尘埃和低温气体偶尔会受到扰动,流向中央黑洞。黑洞的引力会俘获这些下落的物质,产生辐射爆发。虽然这些爆发远在数十亿光年之外,NuSTAR仍能探测到它们。

NuSTAR的高灵敏度使得它能以迄今最高的分辨率来探测耀变体所发出的高能量X射线辐射,天文学家希望由此能揭示喷流是如何形成的。

勘测超新星

除了研究大尺度的爆发事件之外,NuSTAR也可以细致地勘测小尺度的天体,例如超新星。从宇宙早期至今,宇宙中的物质组成一直在不断地循环。恒星会生老病死,其中质量最大的会把自身炸成碎片,释放出在核心处锻造出的重元素。这些物质会进入下一代恒星形成的地方,使得新生恒星自出世起便包含了这些重元素。

天文学家非常想了解这些由超新星所制造出的元素,即便这些元素的寿命很短暂。由此,可以了解在超新星爆发时大质量恒星的核心处于什么样的状态,例如温度、压强和成分等。

2014年2月,NuSTAR绘制出了第一幅超新星遗迹仙后A中钛44的分布图。该遗迹于1947年首次被发现,是一个射电源。结果显示,钛的分布并不均匀,这为超新星爆发的机制提供了线索。

恒星实质上都是气体球,于是就会想当然地认为在它们爆炸时也会呈球形。但NuSTAR的观测却发现这些爆炸的中央引擎存在扭曲变形,这可能是其核心在爆炸之前受到扰动所致。

NuSTAR对超新星爆炸了解得越多,天文学家就能更为深入地了解宇宙的组成以及特定的成分是如何在宇宙中分布并形成不同的恒星和行星的。

[图片说明]:NuSTAR对超新星遗迹仙后A的观测显示其中钛(蓝色)的分布并不均匀,为超新星爆发背后的机制提供了线索。版权:NASA/JPL-Caltech/CXC/SAO。

我们的太阳?

在NuSTAR所观测的目标中,有一个甚至比银河系中的超新星到我们的距离还要近数十亿倍。它就是太阳的日冕——太阳表面之外温度高达数百万度的等离子体区域。除了在日全食期间,通常情况下看不见日冕。它们是等离子环从太阳表面延伸出的活动区域,太阳耀斑的突然增亮和日冕物质的抛射都会影响到它。研究太阳日冕的天文学家想要回答一个问题:日冕的温度为什么会这么高?

[图片说明]:NuSTAR所观测到的太阳发出的高能X射线辐射(绿色和蓝色)。发出这些高能X射线辐射的气体其温度高达300万度。版权:NASA/JPL-Caltech。

一些天文学家认为,是大量的微型太阳耀斑加热了日冕。由于微型耀斑会产生高能X射线,因此NuSTAR就成为了用来研究它们的首选工具。

为了验证这一观点,天文学家把它对准了太阳的活动区,那里的强磁场通常与太阳黑子有关。此外,NuSTAR还观测了发生在太阳表面的正常耀斑。

研究从距离我们最近的恒星到最遥远的星系,NuSTAR以此前从未有过的深度和广放眼了高能X射线下的宇宙。如果说NuSTAR这些最新的发现告诉了我们什么的话,那就是每当打开一扇通往宇宙的新窗口必定会有意想不到的精彩发现。









2001-2017 火流星工作组制作


本文遵循“创作共用约定”之“署名-非商业性使用-禁止演绎”3.0约定
任何意见和建议请致电: