據2024年6月23日第一財經報道,歷時近20年合作研制,中法首顆天文衛星——空間可變物體監測衛星(SVOM)6月22日從中國西昌衛星發射中心發射成功。這顆重達930公斤的衛星是迄今為止全球用于研究最遠恒星“伽馬暴”多波段綜合觀測能力最強的衛星,有助于研究宇宙的起源。
(圖片來源:新華社 陳昊杰攝)
早在2018年,首顆中法海洋衛星發射升空,這次雙方將合作領域延伸到太空,是一次全新的拓展。
中法天文衛星的英文簡稱是SVOM,又名天基多波段空間變源監視器,該衛星可對從可見光到伽馬射線的多個波段電磁頻譜進行探測,尤其是觀測大質量恒星爆發等事件形成的伽馬射線源。當然,中子星等致密天體合并也會釋放伽馬射線。SVOM衛星的出現,代表中法空間合作進入新的階段。
SVOM衛星示意圖
(圖片來源:SVOM衛星網站)
法國是第一個與中國簽訂政府間科技合作協定的西方國家,從1978年至今雙方有40多年的合作歷史。中法還在1997年簽署了《研究與和平利用外層空間合作協定》,2023年4月,中國向法國贈送1.5克科學用月壤樣品,這是嫦娥五號任務從月球正面的風暴洋東北部中國天船基地獲取的。
前不久剛發射的嫦娥六號,也搭載了一臺法方提供的氡氣探測儀。這次中法再次在空間領域合作,雙方將目標鎖定在宇宙中的伽馬射線暴領域,共同研究宇宙中能量極高、充滿神秘色彩的高能事件。
在上海集成的SVOM衛星鑒定模型
(圖片來源:SVOM衛星網站)
SVOM衛星主要用于探測宇宙伽馬暴
SVOM衛星的重點是探測宇宙中最強的能量釋放:伽馬暴。中法科學家預計,SVOM衛星理論上每年可探測100次來自遙遠宇宙深處的高能伽馬射線釋放。宇宙中伽馬暴的特點有:???????
第一,能量極為巨大。典型的伽馬暴所釋放的能量,相當于太陽在整個生命周期內所產生的能量總和,主要形成于大質量恒星爆發或者中子星合并,其具體形成機制仍然有許多未解之謎。比如科學家推測,銀河系內的磁星可能會形成軟伽馬射線,進而可能威脅到地球生命,但這個說法還需要更多的證據支持,這也是SVOM衛星對伽馬暴進行研究的意義。
第二,距離我們非常遙遠。當前我們發現的伽馬暴都在數億至數十億光年外的星系中,有些伽馬暴甚至形成于宇宙剛誕生不久的數億年,由于能量極為強大,仍然可以被我們探測到。研究這些來自古老恒星釋放的伽馬射線,有助于我們解開關于宇宙形成的眾多奧秘,以及宇宙早期大質量恒星的一些謎團。
第三,持續時間極短。伽馬暴閃光一般僅持續幾千分之一秒,但科學家也發現有些伽馬暴持續時間可長達數秒至數十秒不等,還有長達若干小時的超長伽馬暴,各種形式的伽馬暴形成機制不同,其背后的高能物理事件目前仍然是科學界追逐的焦點。
SVOM 衛星在上海進行熱真空測試時的鑒定模型
(圖片來源:SVOM衛星網站)
為了實現這個目標,該衛星搭載了4臺主要儀器,分別為法國制造的ECLAIR?望遠鏡和MXT望遠鏡,主要用于探測X射線波段和低能伽馬射線;中方制造的GRM伽馬射線暴監測器和VT可見光望遠鏡,這兩臺設備可分別探測高能伽馬暴和瞬間產生的可見光。
為了能夠增強SVOM衛星的觀測能力,該系統還配備了一個大型地面站,安裝了廣角相機和GFT跟蹤望遠鏡,兩者用于定位伽馬射線源的位置。
從以上儀器配置可以看出,SVOM衛星不僅能探測伽馬射線暴,還能對X射線、可見光進行探測。這是因為短暫而強烈的伽馬射線暴發生的時候,通常會伴隨X射線和可見光的強大釋放,這些可見光釋放可以持續數天之久,同時還能對伽馬源進行精確定位。
費米伽馬射線太空望遠鏡
(圖片來源:NASA)
國際上同類天文衛星還有哪些?
在國際上,探測伽馬暴是個熱點研究方向,美國宇航局在2004年發射了雨燕伽馬射線天文臺,專門用于探測伽馬暴,還有2008年發射的費米伽馬射線太空望遠鏡,通過大面積巡天的方式研究宇宙中的高能事件,比如活動星系核、脈沖星、暗物質等。
更早期的項目有1991年發射的康普頓伽馬射線天文臺,由航天飛機攜帶進入太空。這些伽馬射線探測項目,取得了相當多的研究成果,比如康普頓伽馬射線天文臺巡天,對蟹狀星云、天鵝座X-1、銀河系中心、超新星1987A進行了深度觀測,記錄到數千個伽馬射線源,并發現這些伽馬源在天空中的分布是各向同性的。
費米伽馬射線巡天取得的成果更多,從探測伽馬射線,延伸到研究活動星系核、中子星與超新星遺跡,甚至是尋找暗物質在宇宙中的分布。
這些科學研究看似是觀測宇宙中的天文事件,其實對基礎物理學有重大的科研價值,比如我們探測黑洞活動產生的伽馬射線,這是將量子力學與廣義相對論統一的潛在研究,所以SVOM衛星項目的實施,對推動我國的基礎物理學研究也有巨大的促進意義。
伽馬射線釋放想象圖
(圖片來源:hubblesite)
SVOM衛星是專門探測伽馬暴的天文衛星,從分工上看,還有專門觀測和研究X射線的衛星,比如我國的硬X射線調制望遠鏡衛星,用于觀測黑洞、中子星等高能天體的X射線釋放。
歐洲空間局發射的XMM-牛頓衛星,美國宇航局發射的錢德拉X射線天文臺,都是比較知名的X射線天文衛星。還有擅長通過紅外波段探測宇宙的天文衛星,比如廣域紅外線巡天探測衛星、詹姆斯·韋伯空間望遠鏡等。
我國在2020年發射的引力波暴高能電磁對應體全天監測器,這是專門研究引力波的天文衛星。天文衛星的特點是可以部署在軌道上,沒有大氣層的阻擋,可以接收到來自遙遠天體的電磁波輻射,可研究宇宙中各種天體事件。比如哈勃望遠鏡,為我們展示了宇宙中前所未有的天體圖像,推動了多學科發展。
引力波暴高能電磁對應體全天監測器在軌道上的示意圖
(圖片來源:中國青年網)
我國近期在天文衛星方向上的發展
SVOM衛星發射說明我國在天文衛星的發展上已經打開了新的篇章。未來幾年值得期待的項目包括巡天號光學艙,還有天琴計劃所需的引力波探測衛星。
巡天號光學艙是天宮空間站的組成部分之一,視場可達哈勃望遠鏡的300多倍。巡天號光學艙的軌道有可能比天宮空間站更高,可獨立脫離空間站飛行,在需要的時候可以對接空間站進行維護。這種設計充分利用了天宮空間站平臺的優勢,成為我國在軌道上的一個重要支持設施。參考哈勃望遠鏡的維修,它也需要宇航員手動實施,對接空間站進行維護可以降低相關風險。
巡天號光學艙預計在2026年發射入軌,設計壽命達到10年以上,可以預測我國未來對深空天體的研究將出現一次較大的飛躍。
巡天號光學艙模型
(圖片來源:維基百科)
天琴計劃則是專門研究引力波,計劃發射3顆衛星與地面進行組網,探測宇宙中的引力波。這個項目預計在2025年到2030年之間啟動。引力波是近年來一個熱門科學研究方向,2017年的時候,科學家首次探測到引力波的存在,距離地球僅為1.3億光年,是兩顆中子星合并所釋放的。
引力波事件還與電磁波釋放存在關聯,因為引力波形成于中子星合并,同時也釋放出伽馬射線,標志著多信使天文學時代已經來臨。當我國有了多種探測宇宙事件的平臺后,理論上就可以對某個天體事件進行聯合觀測,通過多種觀測手段掌握其科學現象和規律,為接下來的基礎科學等多領域發展奠定了基礎。
參考文獻:
[1] 法國天體物理與行星學研究所:研究最遙遠恒星爆炸的SVOM任務成功發射