太空望远镜用高能X射线绘制宇宙的第一张地图

你有看过X光片的身体吗?Rashid Sunyaev说,它看起来完全不同。“宇宙也将如此。”苏纳耶夫(Sunyaev)是一位德国出生的苏联著名宇宙学家,他是位于德国加奇(Garching)的马克斯·普朗克(Max Planck)天体物理学研究所的宇宙学家,他将如愿以偿。

6月21日,德国与俄罗斯联合执行的一项名为Spectrum-Roentgen-Gamma(SRG)的任务将向太空发射,以绘制出前所未有的地图。它将是第一个对高能“标准” X射线敏感的太空望远镜,这为天体物理学家提供了进入宇宙中其他微弱物体的窗口。但这将是第一个能够在光谱的这一部分创建完整的天空图的方法,这将为研究人员提供一种跟踪宇宙在永世期间膨胀和加速的新方法。彼得·普雷德希尔(Peter Predehl)说:“在半年之内,我们将覆盖整个天空。”彼得·普雷德(Peter Predehl)是位于加奇(Garching)的马克斯·普朗克(Max Planck)外星物理研究所的X射线天文学家,也是该任务的首席研究员。

SRG的主要科学目标是宇宙学:创建宇宙的3D地图,将揭示宇宙如何在称为暗能量的神秘排斥力下加速。宇宙学家可以通过银河星团探测这种力,银河星团的分布编码了宇宙的结构和历史。SRG将通过检测来自银河系间等离子体和加入它们的等离子体细丝的X射线辉光,绘制出约100,000个银河星团的宇宙网图。该任务还将探测多达300万个超大质量黑洞(其中许多是科学新发现的)和来自银河系中多达70万颗恒星的X射线。

位于马萨诸塞州剑桥的哈佛大学密西森天体物理学中心的X射线天文学家朱塞佩娜·法比亚诺说:“这将是一次伟大的调查。”她补充说,很长一段时间以来,其数据将在该领域发挥独特作用。

俄罗斯复活

对于俄罗斯来说,SRG代表了数十年来最重要的太空科学任务之一,其目的是支持遭受数十年削减和人才流失的国家天体物理学界。该任务携带两架独立的X射线望远镜:一架德国制造的名为eROSITA(带有成像望远镜阵列的扩展伦琴测量)和一架俄罗斯制造的名为ART-XC(天文学伦琴望远镜-X射线聚光器),莫斯科俄罗斯科学院太空研究所高能天体物理学家,ART-XC首席研究员米哈伊尔·帕夫林斯基(Mikhail Pavlinsky)说,这是俄罗斯和苏联太空研究史上同类仪器中的第一种。他说:“现在,我们有了重新回到世界一流科学领域的新机会。”

该航天器将从俄罗斯哈萨克斯坦的拜科努尔宇宙飞船发射的俄罗斯制造的Proton-M火箭升空。以前的特派团曾进行过X射线天空勘测,包括1990年代来自德国的一个名为ROSAT的特派团。但是,该任务仅对能量约为2千电子伏特(keV)的“荣” X射线敏感。现有的任务,例如NASA钱德拉X射线天文台和NuSTAR,可以看到更高能量的辐射并分辨出宇宙结构的微小细节,但它们只能看到天空的一小部分。

SRG的两台仪器分别覆盖可扩展到更高能量的X射线带:eROSITA为0.2'-0keV,ART-XC为5'-0keV。(尽管出于历史原因而保留了它的名字SRG不会检测到伽马射线。)每个仪器都是由七个X射线望远镜捆绑在一起的,它们将同时构成相同的天空。它们的综合功率意味着它们将比单个望远镜收集更多的光子。来自天空的X射线光子很少且相差很远,因此望远镜的“基于半导体的传感器”“普通数码相机中传感器的高能版本”也将能够估算出各个传感器所包含的能量光子。

在计划的四年任务中,SRG将对整个天空进行八次绘制地图,研究人员将比较这些地图并寻找变化。例如,银河系中心的一些超大质量黑洞在吞噬物质时变得非常明亮,然后又恢复到相对静止状态。帕夫林斯基说,尽管来自这些黑洞的大多数软X射线很可能会被周围的尘埃吸收,但较硬的X射线应该可以通过。ART-XC可能会从一年到第二年看到这些物体出现然后再次消失,从而提供有关黑洞如何消耗物质的信息。桑尼亚耶夫说:“希望在这四年中观察到数千起此类事件。”

SRG还将研究普通物质和暗物质(星系形成的主要引擎)的宇宙变形,并寻找有关暗物质粒子性质的直接暗示。为此,它将试图确认先前显示出来自某些银河系中心的X射线发射峰的信号,一些研究人员认为这是由于已知中微子的未知,较重原子的相对衰变所致。他们认为,这些中微子可能是暗物质的主要成分,尽管这种解释是有争议的。马克斯·普朗克外星物理研究所的天体物理学家,该任务的首席科学家埃斯拉·布尔布尔说:“到目前为止,仍然存在暗物质的解释,这可能是引起X射线信号的原因。”

很久以后

长期以来,俄罗斯和德国的天体物理学家已经开始进行硬X射线太空任务:SRG的根源可以追溯到苏联。1987年,包括Sunyaev和他的导师Yakov Zeldovich和Andrei Sacharov在内的主要天体物理学家提出了使用硬X射线的主要任务,但是在1991年苏联垮台后,该计划被取消。

欧洲和俄罗斯的太空机构在2004年重新提出了这个想法,但是当NASA缩减其航天飞机计划并最终在2011年结束时,取消了向国际空间站发送X射线望远镜的提议。德国航天局和Roscosmos后来批准了一项联合任务,并于2009年进行了更宏大的设计。

普雷德赫尔说:“直到整个事情真正从树林出来之前,这里已经经历了许多很多起伏。”

通常,该任务具有特殊的数据安排,旨在支持俄罗斯小型天体物理学界。德国研究人员不会像通常执行此类任务那样将数据存储在一个存储库中,而是会在天空的一半(银河中心以西的部分)上存储和分析数据,而俄罗斯科学家将对另一半进行相同的操作, Sunyaev说,这给了他们专用的时间来处理数据。该任务随后将向其他研究人员开放数据。

自然570,149-150(2019)

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