ISRO 的 AstroSat 太空天文台如何在 11 年内改变我们对宇宙的理解

ISRO 的 AstroSat 太空天文台如何在 11 年内改变我们对宇宙的理解


过去十一年来,印度太空望远镜一直在揭示宇宙的秘密。它探测了黑洞周围的湍流区域,探测到了来自遥远星系的X射线,并揭开了恒星爆炸的谜团。 AstroSat 是印度第一个专用太空天文台,不仅取得了与美国宇航局钱德拉等主要观测者的成就相媲美的成就,而且还提供了改变世界天体物理学的见解。

9 月 28 日,AstroSat 满了 11 年,是预期寿命的两倍。

在此期间,该任务改变了我们对宇宙高能事件的理解:炽热燃烧的恒星、灾难性的恒星爆炸、中子星(当大质量恒星死亡和坍缩时)、星系碰撞和伽马射线爆发。它还表明印度可以设计、建造和运营一座处于现代天文学前沿的复杂天文台。

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AstroSat的想法始于1996年由时任印度空间研究组织(ISRO)主席K Kasthurirangan主持的一次会议。我们的目标是雄心勃勃的:建立一个跨越多个跨度的紧凑型天文台。争论很激烈。宇宙中许多最强大、最剧烈的过程,例如遥远恒星的耀斑和白矮星(耗尽核燃料的恒星核心的致密残余物)的热核爆炸,都会同时发出不同波长的辐射。为了充分了解这些宇宙事件,天文学家必须同时在紫外线、X 射线和伽马射线下观察同一个物体。

想象一下犯罪现场。侦探前来寻找证据。指纹可以显示谁接触了表面,但不能识别武器。闭路电视录像显示了这一动作,但没有详细说明死亡时间。 DNA 拭子将嫌疑人联系起来,但它不能解释任何事情。毒理学报告揭示了毒物,而血迹分析则恢复了战斗。只有将所有这些事实汇总起来并与时间线进行比较,犯罪的全貌才会被揭露。

在天体物理学中,“犯罪现场”可以是超新星(剧烈爆炸并在爆炸后亮度增加的恒星)、燃烧的恒星(亮度突然增加的变星)或饥饿的黑洞(由于强大的引力而无法逃脱的致密天体)。可见光充当见证者并显示所看到的内容。但这种新材料在紫外线 (UV) 光下会发光。过热物质的混乱下落会发出X射线;最强大的力量在伽马射线中爆炸。如果天文学家只研究可见光,他们就像依赖模糊照片而忽略重要事实的侦探。

不幸的是,地球大气层会干扰。它先吸收来自地球的重要 X 射线和紫外线,然后才能对其进行研究。为了解开太空的奥秘,我们需要将我们的“侦探”AstroSat 放置在太空大气层之上。这使得他能够一次性收集一系列证据并实时比较各项指标,以揭示宇宙中暴力事件的真实本质。

AstroSat 就是为此而设计的。

它被设计为一个紧凑的天文台,能够扫描大范围的天体,从 130-300 纳米的紫外线辐射到 X 射线和伽马射线(0.3-100 千电子伏),这些波长是地球大气层主要吸收的波长。这种同时观测对于理解这些惊人的宇宙事件背后的复杂物理至关重要。

这一能力使 AstroSat 与美国宇航局钱德拉 X 射线天文台和欧洲航天局 XMM-牛顿等主要国际天文台并驾齐驱。然而,与那些较大的设施不同,AstroSat 必须足够轻且紧凑,才能在印度车辆上发射,同时携带多个望远镜和探测器,其中许多是在印度开发的。主要合作伙伴包括塔塔基础研究所 (TIFR)、印度天体物理研究所 (IIA)、大学间天文学和天体物理中心 (IUCAA)、各个 ISRO 中心和印度行业合作伙伴。

最重要的技术进步之一是第一台使用掠射光学器件的太空软聚焦 X 射线望远镜。与普通光或无线电波不同,X 射线很容易穿过大多数材料,这使得它们很难用标准镜子收集和聚焦。为了解决这个问题,科学家们找到了一个聪明的解决方案。想象一下将一块光滑的石头扔过池塘。如果你直接把它扔下去,它就会沉下去。但如果你以小角度扔它,它会在下沉之前通过。 X 射线也有同样的作用。以小角度放置的镜子可以轻轻地弯曲 X 射线,并将其引导成射向探测器的光束。这项创新使 AstroSat 能够引导来自遥远太空物体的光线。

TIFR 的软 X 射线望远镜(SXT)是由第一作者领导的团队开发的。硬X射线探测器包括三个大型氙场正比计数器(LAXPC)和一个由他的同事开发的碲化镉锌成像仪(CZTI)。

ISRO提供了卫星平台、定向系统、热控制、通信和任务操作。 AstroSat 于 2015 年在 PSLV-C30 上发射,现已成功运行,其科学数据已存档并通过印度空间信息中心免费共享。

在过去的十一年里,AstroSat 观测了数百个宇宙目标:恒星、星团、白矮星、中子星、黑洞、超新星遗迹和星系。

年轻恒星、巨星和白矮星等炽热的宇宙物体会在紫外线中发光,而从恒星耀斑和落到致密物体上的物质到超新星冲击波等极端事件会产生丰富的X射线。 AstroSat 的紫外线成像望远镜 (UVIT) 发现了许多炽热且不寻常的恒星,包括蓝离散星、白矮星和其他稀有恒星群。它的 SXT 探测到来自比邻星的显着 X 射线耀斑,比邻星是距离太阳最近的恒星,拥有一颗地球大小的行星。这种剧烈的活动提出了一个重要的问题:围绕这样一颗恒星运行的行星是否可以支持生命存在?

AstroSat 对仙女座星系的持续监测已检测到数十个由白矮星表面快速热核反应引起的新星暴。这些观测帮助天文学家了解这些爆炸如何随时间演变。

该任务还捕捉到了银河系内新星的非凡细节,包括近代记忆中最快的恒星爆炸之一。通过在紫外线和 X 射线中同时观察这些事件,AstroSat 提供了关于物质如何在致密恒星中积累的新见解。

另一个重要目标是天鹅座环,这是一颗大约一万年前的巨大超新星遗迹。超新星爆炸产生并分解重元素,这是行星和生命的基石。 AstroSat 的 SXT 和 UVIT 仪器绘制了整个巨大结构中加热气体和微量元素(如氧、氖、镁、硅、硫和铁)的分布图。

银河系中最亮的 X 射线源之一是 X 射线双星系统,在该系统中,普通恒星的物质坍缩成中子星或黑洞。当材料落入水中时,它会加热到极端温度并发出强烈的 X 射线辐射。 LAXPC 和 SXT AstroSat 对许多此类系统进行了前所未有的详细研究。在中子星双星中,该任务检测到的光谱特征表明磁场比地球强数十亿至数万亿倍。在黑洞系统中,它监测节律和心律失常的变化、旋转吸积盘(天体周围气体、等离子体和粒子的盘状流动)的不稳定性以及爆炸性热核活动,提供有关重力主要模式的信息。

这项任务对我们对星系和宇宙演化的理解产生了重大影响。对附近星系的紫外线观测通过识别富含年轻和大质量恒星的区域,揭示了恒星形成的历史。在距我们约 5600 万光年的巨大螺旋星系中,AstroSat 发现了一百多个活跃的恒星形成区域。结合美国宇航局钱德拉天文台的数据,这些观测结果揭示了其中十个区域具有明亮的 X 射线源,这是一项重要的发现。

AstroSat 的覆盖范围延伸至太空深处。它发现了较小星系吞没较大星系的迹象,表明星系随着时间的推移而“同类相食”地生长。在另一次深度观测中,它发现了一个遥远的星系,当时宇宙的年龄仅为当前年龄的三分之一。该任务还研究了星系中心超大质量黑洞周围的圆盘和喷流发出的紫外线和 X 射线辐射。

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AstroSat 的碲化镉锌成像仪 (CZTI) 已追踪到约 750 次伽马射线暴,其中一些是宇宙中最强大的。来自几个极亮事件的伽马射线偏振测量为这些神秘现象背后的物理过程提供了新的见解。

该任务的科学贡献超出了个人发现。迄今为止,AstroSat 数据已在国际顶级期刊上发表了 570 多篇科学文章,以及印度大学和研究机构的大量博士论文。许多本科生和研究生通过 AstroSat 观测获得了实践经验。

发射十多年后,AstroSat 成为印度科学的里程碑式成就。它表明,通过研究机构、工业界和 ISRO 之间的密切合作建立的本土天文台可以提供世界一流的天文学。尽管卫星仍在稳定运行,但印度进入能源世界的窗口仍然敞开。 AstroSat 可以在未来几年继续探索太空。





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