“黑洞探针”计划：揭秘宇宙中最神奇的天体

乔辉

2016年年初，人类首次直接探测到引力波的消息席卷全球，这次引力波事件是由距离地球14亿光年之遥的两个黑洞合并时发出的。黑洞总是宇宙中许多高能事件的始作俑者，也是天体物理学家研究的重要对象。

几乎与此同时，中国科学院完成了《2016-2030空间科学规划研究报告》，报告提出了一系列空间科学计划，共有“黑洞探针”计划、“天体号脉”计划、“链锁”计划和“火星探测”计划在内的23个空间科学计划。其中，“黑洞探针”计划的科学目标是通过观测宇宙中黑洞等致密天体发出的X射线及伽马射线暴，研究黑洞物理和宇宙高能过程。

黑洞是宇宙中存在的一类致密天体，其引力场之强，甚至连光也逃逸不出来。

中国硬X射线调制望远镜

恒星级质量黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应停止后，核心物质发生引力坍缩而形成的。除此之外，还有中等质量黑洞以及超大质量黑洞，它们的形成机制都是目前天体物理学研究的热点。

黑洞本身不发光，该如何探测它们呢？

如果黑洞周围存在大量物质，那么其强大的引力场会不断吸引和吞噬它们，而物质在落向黑洞的过程中，会形成围绕黑洞的吸积盘。吸积物质的引力势能转化为动能并最终加热吸积盘，从而产生强烈的X射线辐射。吸积盘由于在黑洞视界之外，由此可以被探测到。这些有强辐射的黑洞被称为活动黑洞，无论质量大小，都是宇宙中的强X射线源。

中国正在实施的“黑洞探针”计划将主要回答以下科学问题：黑洞等极端和致密天体的性质是什么，黑洞等极端和致密天体是如何与它们周围的环境相互作用的，大质量恒星是如何演化并最后形成黑洞等致密天体的……根据目前中国空间天文发展的现状，“黑洞探针”计划的探测任务分别由硬X射线调制望远镜、伽马暴偏振仪和空间变源监视器三颗探测器承担。

硬X射线调制望远镜（HXMT）

硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope）是目前已知计划中的世界最高灵敏度和最好空间分辨率的空间硬X射线望远镜。它将实现空间硬X射线高分辨巡天，去发现大批高能天体和天体高能辐射新现象，并对黑洞、中子星等重要天体进行高灵敏度定向观测，推进人类对极端条件下高能天体物理动力学、粒子加速和辐射过程的认识。此外，硬X射线调制望远镜还将进行引力波源电磁辐射对应体的定位和后续观测。

硬X射线调制望远镜实现宽波段X射线 （1-250 keV） 巡天，其中在硬X射线波段具有世界最高灵敏度和空间分辨率。它的科学目标旨在通过巡天观测，发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体，研究宇宙硬X 射线背景辐射的性质。同时，通过观测黑洞、中子星、活动星系核等高能天体，分析其光变和能谱性质，研究致密天体和黑洞强引力场中物质的动力学和高能辐射过程。

根据最新报道，硬X射线调制望远镜（HXMT）将于2016年年底正式升空。

“天宫二号”将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器

伽马暴偏振仪（POLAR）

伽马暴偏振仪是中欧合作的专门用于测量伽马射线暴偏振的探测器，将跟随我国“天宫二号”空间实验室于2016年9月中旬升空，利用康普顿散射原理测量入射伽马射线的偏振。

伽马射线暴（简称伽马暴）是来自宇宙空间的伽马射线短时间内大爆发的现象，是迄今人类观测到的最剧烈的高能天体物理现象。根据持续的时间，伽马暴可分为两大类：长暴和短暴。长暴通常与大质量恒星发生超新星爆炸形成高速旋转的致密天体（黑洞、中子星）有关。短暴即中子星合并产生的一类持续时间短于两秒的伽马暴，通常与两颗中子星发生合并产生黑洞有关。

自1967年由美国的Vela军事卫星偶然发现伽马暴以来，该天文现象就以其短时间、高能量、远距离、复杂的光变和谱态等显著特征引起人们的广泛关注，成为天体物理学研究领域最前沿的课题之一。

国际上已经先后发射了多颗载有伽马暴探测仪器的天文卫星以及实验平台，观测到的伽马暴事例已经超过了4000个。然而，至今伽马暴的爆发机制还是天体物理学研究领域中的未解之谜。

目前，国际上还没有专用的空间伽马射线偏振测量仪器，而伽马射线暴的偏振被认为是伽马暴的最后一个观测量。因此，伽马暴偏振仪实验将开辟一个空间天文的新窗口，预计将对我们理解伽马暴的爆发和喷流机制发挥决定性的作用，并有可能检验有些量子理论模型。

通过对伽马射线暴的偏振测量将揭晓其喷流结构，尤其是磁场的结构

伽马暴偏振仪获取的有关伽马暴的偏振信息，有望和其他同时运行的空间伽马暴探测结果一起来诊断伽马暴喷流的结构，尤其是磁场的结构，从而确定伽马暴的极端相对论喷流的产生、准直和输运机制。同时，对伽马暴的中心发动机模型做出判定，也将对理解大质量恒星演化的最后阶段、黑洞的形成过程、极端吸积率状态下黑洞和周围物质的相互作用、如何提取黑洞的转动能量、双中子星的并和过程等重要天体物理学问题作出贡献。

空间变源监视器（SVOM）

空间变源监视器（Space Variable Objects Monitor）是中法合作的天文卫星，计划于2021年发射。届时，我国计划将在一颗小卫星平台上携带可见光望远镜（中国）、软X 射线望远镜（法国）、硬X 射线成像仪（法国）、伽马射线监视器（中国）等多波段科学仪器。

空间变源监视器的镜片由英国莱斯特大学的科学家研制，其设计受到了龙虾和其他类似动物使用反射原理聚焦光的启发。传统的望远镜X射线镜片由固态玻璃和金属构成，重达数十千克，新型的“龙虾”X射线镜片仅重1千克，更容易发射到太空轨道。空间变源监视器的主要任务是定位巨型恒星死亡产生的伽马射线暴，以探测和研究伽马暴，特别是高红移伽马暴。

目前美国宇航局的“雨燕”伽马射线暴探测器已经创下了探测到最高伽马暴红移值的世界纪录（红移值为8.2，产生于宇宙大爆炸后仅6.3亿年），而空间变源监视器极有可能打破这个纪录。空间变源监视器的伽马射线监视器对伽马暴具有更好的能谱测量能力，因此能够更好地利用伽马暴作为最遥远宇宙的探针，来研究宇宙的演化以及暗能量问题。更为强大的光学望远镜对于伽马暴余辉的测量将对研究各种类型伽马暴的本质，进而发现新类型的伽马暴具有重要意义。

空间变源监视器

计划于2021年升空的空间变源监视器所担负的核心科学目标有3个：一是发现和快速定位各种伽马射线暴，引领国际伽马暴研究;二是全面测量伽马暴的电磁辐射性质，提供伽马暴的基本参数，从而理解大质量恒星的演化、伽马暴的爆发机制，以及极端相对论喷流的产生和输运过程;三是探测离地球最远、产生最早的天体，利用伽马暴研究宇宙的早期演化、暗物质和暗能量的宏观性质。因此，空间变源监视器作为“黑洞探针”计划的重要项目之一，将能够对人类理解极端天体物理过程和宇宙演化作出重要贡献。

“黑洞探针”计划将全面提升中国空间科研水平，并加深人类对黑洞现象以及宇宙其他高能天体物理过程的理解和认识。黑洞和支配黑洞的法则隐藏在黑暗中，中国“黑洞探针”计划一旦付诸实施，将会给这一领域带来一片光明。