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欧洲强大的x射线望远镜:XMM-牛顿太空望远镜

发布于2019-09-11 15:50:42

1999年欧洲航天局(ESA)发射了被该机构称为“史上最强大的x射线望远镜”。近二十年来x射线多镜任务(XMM)牛顿望远镜一直在探测热的x射线宇宙,寻找丢失的物质,监测黑洞和它们的“饮食"习惯,检查星系的明亮中心,甚至观察太阳系中的行星,让我们来看看欧空局的“欧洲x射线天文学旗舰”。XMM-Newton(XMM-牛顿)携带了三架先进的x射线望远镜。每一个都包含58块高精度嵌套镜,XMM的x光采集面积几乎和网球场一样大,尽管每个都只有30厘米宽。这是因为每台桶形望远镜都有58块薄得像瓦片一样的镜面弯曲成圆柱形,像俄罗斯玩偶一样相互嵌套。

图片描述了银河系的中心,就像xmm-牛顿在x射线中看到的那样。图片:ESA/XMM-NEWTON/G. PONTI ET AL. 2015

博科园-科学科普:镜子之间的间距只有25微米,只有人类头发的四分之一。这些镜子合在一起,将使天文学家能够以前所未有的精确度进行长时间不间断观测。该望远镜与照相机、光谱仪和光学/紫外线监测器一起工作。三个欧洲的光子成像相机(EPIC)可以探测到弱x射线辐射,反射光栅光谱仪比史诗更详细地分析波长。最后一种仪器是光学/紫外线监测器,ESA将其描述为“哈勃太空望远镜的缩小版”,可以观察到x射线,以及紫外线和可见光波段。这台显示器30厘米的观察区域拥有4米望远镜在地球上的威力,仅仅是因为它在地球大气层的干扰作用之上飞行。

XMM-Newton于1999年12月10日在法属圭亚那的Kourou太空港发射升空,在一个高度椭圆的轨道上绕地球运行48小时。这个高度偏心的轨道使这个仪器在环绕地球的辐射带之外停留了40个小时,同时提供了最长的观测周期,大部分时间都在地球的阴影之外。轨道周期恰好是地球自转周期的两倍,这也使航天器与澳大利亚库卢和亚塔拉加的地面站保持最佳接触。除了它的科学缩写,XMM-Newton望远镜被命名为纪念世界上最杰出的科学家之一,艾萨克·牛顿爵士。牛顿在数学、光学和物理学领域的工作奠定了现代科学的基础,因为他对理论和实践天文学产生了重大影响。

欧洲航天局科学总监罗杰·博内(Roger Bonnet)在一份声明中说:我们之所以选择这个名字,是因为艾萨克·牛顿爵士发明了光谱学,XMM是一项光谱学任务。牛顿的名字与坠落的苹果有关,苹果是重力的象征,希望通过XMM,我们能找到大量的黑洞候选者,当然这些候选者与引力理论有关。没有比xmm -牛顿更适合这个任务的名字了。据欧洲航天局称,尽管这台望远镜已有近20年的历史,但其设备的退化程度相当温和。预测的仪器性能应该允许研究继续进行10年。最大的限制因素是燃料。使用保守的估计,xmm -牛顿在2029年左右将耗尽燃料,这将使它的寿命达到30年。欧洲航天局正在研制一种新的仪器,雅典娜x射线天文台,计划于2028年发射。


科学研究

xmm -牛顿发射的目的是研究一些最剧烈的空间现象,设计目的是详细研究宇宙源的x射线发射特性,如星系团、星爆星系、活动星系核、黑洞、中子星和脉冲星。一些天文资源是突出的x射线发射源,但在电磁频谱的其他部分是微弱的,甚至是看不见的,因此对这些天体进行高质量的x射线观测是非常重要的,不能用其他观测技术获得的数据来代替。XMM-Newton还可以研究超新星残骸,即恒星之间的热物质,以及吸收x射线的冷气体。它甚至可以研究太阳系中的物体,如彗星和气态巨星的极光活动。经过17年的观察,研究人员在相关文献中发表了5000多篇科学论文。根据欧洲航天局的一份声明:XMM-Newton已经成为ESA历史上最多产的天文研究之一。

欧洲航天局的xmm -牛顿发现了一颗脉冲星(一颗曾经质量巨大的恒星的旋转残骸)亮度是先前认为可能的1000倍。图片:ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra and SDSS

基于通过XMM-Newton观测所得的数据,几乎所有天文学领域的发现都得到了描述。尽管xmm -牛顿已经做出了大量杰出的研究,但一些亮点包括:在“明亮”和“安静”模式之间切换的脉冲星。与xmm -牛顿和地面无线电望远镜同步观测的脉冲星PSR B0943+10显示,当x射线明亮时,它在无线电波中是安静的,反之亦然。曼彻斯特大学物理与天文学院的本·斯塔普斯说:这颗脉冲星的行为非常令人吃惊。失踪的星际物质,暗物质和暗能量分别占宇宙的25%和70%,而普通的重子物质则占据了宇宙的一切。但是最后的5%是一个很难追踪的挑战。

通过使用xmm -牛顿观测一个巨大的星系,中心有一个特大质量的黑洞,研究人员能够找到弥漫的、难以发现的气体的迹象,这些气体存在于太阳和遥远的星系之间。来自荷兰空间研究所的Jelle Kaastra在一份声明中说:用xmm -牛顿发现了失踪的重子,这是充分描述发现重子的环境和结构的令人兴奋的第一步。一个黑洞在一颗恒星上啃咬了创纪录的十年。通过使用xmm -牛顿、NASA钱德拉x射线天文台和Neil Gehrels Swift天文台,研究人员发现了一颗被黑洞吞噬了十多年的恒星。大范围的时间跨度表明,这是有史以来被撕裂的最巨大恒星,或者是第一次小的恒星被完全撕裂。来自新罕布希尔州杜伦大学的主要作者大成林在一份声明中说:我们见证了一颗恒星壮观而漫长的消亡,自上世纪90年代以来,已经发现了数十起海啸破坏事件,但没有一个事件能像这次一样持续如此长时间。

木星的飘忽不定的极光。极光显示是由带电原子粒子与行星、月亮或恒星的大气层碰撞而形成的,通常会过滤到它们的两极。在地球上,两组极光相互模仿;当北极光变亮时,南方的也会变亮。但当研究人员使用XMM-Newton和钱德拉观测木星两极极光产生的高能x射线时,发现了另一个故事。当南方的极光每11分钟跳动时,北极的极光就会不规则地闪烁。这是一个突破性的发现,如果没有ESA的xmm -牛顿,这是不可能实现的。太空天文台对这项研究至关重要,它提供了高光谱分辨率的详细数据,使研究小组能够探索极光的鲜艳色彩,并找出相关粒子的细节:如果它们运动得很快,无论是氧离子还是硫离子。

博科园-科学科普|文:Nola Taylor Redd/Space

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