“你看过你的身体的 X 射线照片吗？它看起来完全不同，”拉希德·苏尼亚耶夫说。“我们将对宇宙做同样的事情。”苏尼亚耶夫是德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所一位杰出的苏联出生的宇宙学家，他可能即将实现他长久以来的愿望。
6 月 21 日，一项名为 Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG) 的德俄联合任务将发射升空，绘制一张前所未有的地图。它不会是第一个对高能“硬” X 射线敏感的太空望远镜，这种 X 射线为天体物理学家提供了一个观察宇宙中原本微弱的物体的窗口。但它将是第一个能够创建该光谱部分全天图的望远镜——这将为研究人员提供一种追踪宇宙在漫长岁月中膨胀和加速的新方法。“在半年内，我们将覆盖整个天空，”同样在加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所的 X 射线天文学家、该任务的首席研究员彼得·普雷德尔说。
SRG 的主要科学目标是宇宙学：创建宇宙的 3D 地图，揭示宇宙如何在被称为暗能量的神秘排斥力作用下加速。宇宙学家可以通过星系团探测这种力，星系团的分布编码了宇宙的结构和历史。SRG 将通过探测来自星系际等离子体以及连接它们的等离子体丝状物的 X 射线辉光，绘制约 100,000 个星系团的宇宙网络。该任务还将探测多达三百万个超大质量黑洞——其中许多将是科学界的新发现——以及来自银河系中多达 700,000 颗恒星的 X 射线。
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“这将是一项伟大的巡天，”哈佛-史密森天体物理中心（位于马萨诸塞州剑桥）的 X 射线天文学家朱塞皮娜·法比亚诺说。她补充说，它的数据将在很长一段时间内在这一领域发挥独特的作用。
俄罗斯的复兴
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，旨在支持该国的天体物理学界，该界经历了数十年的削减和人才流失。该任务携带了两台独立的 X 射线望远镜：一台德国制造的名为 eROSITA（扩展型伦琴成像望远镜阵列），另一台俄罗斯制造的名为 ART-XC（天文伦琴望远镜——X 射线聚光器），这是俄罗斯和苏联太空研究史上同类仪器的第一个，俄罗斯科学院空间研究所（位于莫斯科）的高能天体物理学家、ART-XC 的首席研究员米哈伊尔·帕夫林斯基说。“现在我们有了一个重返世界一流科学的新机会，”他说。
该航天器将搭乘俄罗斯制造的质子-M 火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场升空。之前的任务已经进行了 X 射线天空巡天，包括 20 世纪 90 年代德国的一项名为 ROSAT 的任务。但该任务仅对“软”X 射线敏感，能量约为 2 千电子伏特 (keV)。美国国家航空航天局的钱德拉 X 射线天文台和 NuSTAR 等现有任务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小部分。
SRG 的两个仪器都覆盖了延伸到更高能量的 X 射线波段：eROSITA 为 0.2 到 10 keV，ART-XC 为 5 到 30 keV。（尽管名称如此——这是出于历史原因保留的——SRG 不会探测伽马射线。）每个仪器都是由七个 X 射线望远镜组成的束，它们将同时框定同一片天空；它们的组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 射线光子很少且分布稀疏，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更高能量版本——也将能够估计单个光子中包含的能量。
在计划的四年任务期间，SRG 将对整个天空进行八次绘图，研究人员将比较这些地图并寻找变化。例如，星系中心的某些超大质量黑洞在高速吞噬物质时会变得非常明亮，然后又恢复相对静止状态。帕夫林斯基说，尽管来自这些黑洞的大部分软 X 射线很可能被周围的尘埃吸收，但较硬的 X 射线应该能够穿透。ART-XC 可能会看到这些物体从一年到下一年出现然后又消失，从而提供有关黑洞如何消耗物质的信息。“我们希望在这四年内观察到数千起此类事件，”苏尼亚耶夫说。
SRG 还将调查宇宙中普通物质和暗物质的分布——星系形成的主要引擎——并寻找关于暗物质粒子性质的直接线索。它将通过尝试确认先前显示的来自某些星系中心的 X 射线发射峰值来实现这一点，一些研究人员认为这些峰值来自已知亚原子粒子中微子的未知、更重的亲属的衰变。他们认为，这些中微子可能是暗物质的主要成分——尽管这种解释存在争议。“到目前为止，暗物质解释仍然是可能的，”马克斯·普朗克地外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，它可能是 X 射线信号的潜在原因。
期待已久
一项硬 X 射线太空任务长期以来一直是俄罗斯和德国天体物理学家的目标：SRG 的根源可以追溯到苏联。1987 年，包括苏尼亚耶夫——以及他的导师雅科夫·泽尔多维奇和安德烈·萨哈罗夫——在内的主要天体物理学家提出了一个使用硬 X 射线的重大任务，但该计划在苏联于 1991 年解体后被取消。
欧洲和俄罗斯航天机构在 2004 年重新提出了这个想法，但当美国国家航空航天局削减其航天飞机计划，最终在 2011 年结束时，将 X 射线望远镜送往国际空间站的提议被取消。德国航天局和俄罗斯航天集团后来于 2009 年批准了一项联合任务和更雄心勃勃的设计。
“直到整个事情真正走出困境，才经历了许多、许多的起起落落，”普雷德尔说。
不同寻常的是，该任务有一项旨在支持俄罗斯小型天体物理学界的特殊数据安排。与此类任务的典型做法不同，德国研究人员不会将数据放在一个存储库中，而是将存储和分析天空一半（银河中心以西的部分）的数据，而俄罗斯科学家将对另一半做同样的事情，让他们有专门的时间来处理数据，苏尼亚耶夫说。该任务稍后将向其他研究人员开放数据。
本文经许可转载，最初于2019 年 6 月 11 日首次发表。