“你看過你的身體的 X 射線照片嗎？它看起來完全不同，”拉希德·蘇尼亞耶夫說。“我們將對宇宙做同樣的事情。”蘇尼亞耶夫是德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所一位傑出的蘇聯出生的宇宙學家，他可能即將實現他長久以來的願望。
6 月 21 日，一項名為 Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG) 的德俄聯合任務將發射升空，繪製一張前所未有的地圖。它不會是第一個對高能“硬” X 射線敏感的太空望遠鏡，這種 X 射線為天體物理學家提供了一個觀察宇宙中原本微弱的物體的視窗。但它將是第一個能夠建立該光譜部分全天圖的望遠鏡——這將為研究人員提供一種追蹤宇宙在漫長歲月中膨脹和加速的新方法。“在半年內，我們將覆蓋整個天空，”同樣在加興的馬克斯·普朗克地外物理研究所的 X 射線天文學家、該任務的首席研究員彼得·普雷德爾說。
SRG 的主要科學目標是宇宙學：建立宇宙的 3D 地圖，揭示宇宙如何在被稱為暗能量的神秘排斥力作用下加速。宇宙學家可以透過星系團探測這種力，星系團的分佈編碼了宇宙的結構和歷史。SRG 將透過探測來自星系際等離子體以及連線它們的等離子體絲狀物的 X 射線輝光，繪製約 100,000 個星系團的宇宙網路。該任務還將探測多達三百萬個超大質量黑洞——其中許多將是科學界的新發現——以及來自銀河系中多達 700,000 顆恆星的 X 射線。
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“這將是一項偉大的巡天，”哈佛-史密森天體物理中心（位於馬薩諸塞州劍橋）的 X 射線天文學家朱塞皮娜·法比亞諾說。她補充說，它的資料將在很長一段時間內在這一領域發揮獨特的作用。
俄羅斯的復興
對於俄羅斯來說，SRG 代表了數十年來最重要的太空科學任務之一，旨在支援該國的天體物理學界，該界經歷了數十年的削減和人才流失。該任務攜帶了兩臺獨立的 X 射線望遠鏡：一臺德國製造的名為 eROSITA（擴充套件型倫琴成像望遠鏡陣列），另一臺俄羅斯製造的名為 ART-XC（天文倫琴望遠鏡——X 射線聚光器），這是俄羅斯和蘇聯太空研究史上同類儀器的第一個，俄羅斯科學院空間研究所（位於莫斯科）的高能天體物理學家、ART-XC 的首席研究員米哈伊爾·帕夫林斯基說。“現在我們有了一個重返世界一流科學的新機會，”他說。
該航天器將搭乘俄羅斯製造的質子-M 火箭從哈薩克的拜科努爾航天發射場升空。之前的任務已經進行了 X 射線天空巡天，包括 20 世紀 90 年代德國的一項名為 ROSAT 的任務。但該任務僅對“軟”X 射線敏感，能量約為 2 千電子伏特 (keV)。美國國家航空航天局的錢德拉 X 射線天文臺和 NuSTAR 等現有任務可以看到更高能量的輻射，並分辨出宇宙結構的微小細節，但它們只能看到天空的小部分。
SRG 的兩個儀器都覆蓋了延伸到更高能量的 X 射線波段：eROSITA 為 0.2 到 10 keV，ART-XC 為 5 到 30 keV。（儘管名稱如此——這是出於歷史原因保留的——SRG 不會探測伽馬射線。）每個儀器都是由七個 X 射線望遠鏡組成的束，它們將同時框定同一片天空；它們的組合功率意味著它們將比單個望遠鏡收集更多的光子。來自天空的 X 射線光子很少且分佈稀疏，因此望遠鏡的基於半導體的感測器——普通數碼相機中感測器的更高能量版本——也將能夠估計單個光子中包含的能量。
在計劃的四年任務期間，SRG 將對整個天空進行八次繪圖，研究人員將比較這些地圖並尋找變化。例如，星系中心的某些超大質量黑洞在高速吞噬物質時會變得非常明亮，然後又恢復相對靜止狀態。帕夫林斯基說，儘管來自這些黑洞的大部分軟 X 射線很可能被周圍的塵埃吸收，但較硬的 X 射線應該能夠穿透。ART-XC 可能會看到這些物體從一年到下一年出現然後又消失，從而提供有關黑洞如何消耗物質的資訊。“我們希望在這四年內觀察到數千起此類事件，”蘇尼亞耶夫說。
SRG 還將調查宇宙中普通物質和暗物質的分佈——星系形成的主要引擎——並尋找關於暗物質粒子性質的直接線索。它將透過嘗試確認先前顯示的來自某些星系中心的 X 射線發射峰值來實現這一點，一些研究人員認為這些峰值來自已知亞原子粒子中微子的未知、更重的親屬的衰變。他們認為，這些中微子可能是暗物質的主要成分——儘管這種解釋存在爭議。“到目前為止，暗物質解釋仍然是可能的，”馬克斯·普朗克地外物理研究所的天體物理學家、該任務的首席科學家埃斯拉·布林布林說，它可能是 X 射線訊號的潛在原因。
期待已久
一項硬 X 射線太空任務長期以來一直是俄羅斯和德國天體物理學家的目標：SRG 的根源可以追溯到蘇聯。1987 年，包括蘇尼亞耶夫——以及他的導師雅科夫·澤爾多維奇和安德烈·薩哈羅夫——在內的主要天體物理學家提出了一個使用硬 X 射線的重大任務，但該計劃在蘇聯於 1991 年解體後被取消。
歐洲和俄羅斯航天機構在 2004 年重新提出了這個想法，但當美國國家航空航天局削減其太空梭計劃，最終在 2011 年結束時，將 X 射線望遠鏡送往國際空間站的提議被取消。德國航天局和俄羅斯航天集團後來於 2009 年批准了一項聯合任務和更雄心勃勃的設計。
“直到整個事情真正走出困境，才經歷了許多、許多的起起落落，”普雷德爾說。
不同尋常的是，該任務有一項旨在支援俄羅斯小型天體物理學界的特殊資料安排。與此類任務的典型做法不同，德國研究人員不會將資料放在一個儲存庫中，而是將儲存和分析天空一半（銀河中心以西的部分）的資料，而俄羅斯科學家將對另一半做同樣的事情，讓他們有專門的時間來處理資料，蘇尼亞耶夫說。該任務稍後將向其他研究人員開放資料。
本文經許可轉載，最初於2019 年 6 月 11 日首次發表。