吃個龍蝦也能搞出X射線望遠鏡？| 天問專欄（附贈書）

01-29

?深邃而寧靜的星空在高能天體物理學家眼裡，如梵高的名畫《星夜》，躁動不安。

導讀

奇妙的自然界是科學研究的絕妙源泉。比如，龍蝦的眼球具有獨特的結構，天文學家就從中受到啟發設計了龍蝦眼X射線光學組件。龍蝦眼有何奇妙之處？中國引領的使用「龍蝦眼光學」的愛因斯坦探針，又是一個什麼樣的科學觀測計劃？

《天問》專欄第六期，帶你一覽天文學家們是如何從龍蝦的眼睛裡獲取靈感，從而創造出天文望遠鏡的故事。此外，文末附上《天問》專欄第五期贈書活動幸運讀者的名單，以及，新書福利！

撰文 | 張臣（國家天文台）

責編 | 呂浩然

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

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在倫琴為自己夫人拍攝那張著名的手的X射線照片（圖 1） 60餘年後，人類終於在衛星上裝配了X射線探測設備，進而開啟了利用一種新的波段觀測宇宙的時代。在這些儀器的幫助之下，我們看到了一個動態萬千、躁動不安甚至狂暴的宇宙。

在X射線波段（波長介於0.01納米 ~ 10納米之間），大多數天體呈現著複雜的亮度變化，時常會因倏然增亮而暴露於觀測視野中，有些很快又會再次消隱不見。而一些原本在可見光波段暗弱到難以被探測的天體，在X射線波段卻表現地異常明亮，黑洞就是一個典型代表，第一個黑洞候選體也是這樣被發現的。

?圖 1 ：倫琴夫人的手（X射線透視照片，Wilhelm R?ntgen, via SSPL/Science Museum/Getty Images）

宇宙中很多劇烈爆發的現象都與黑洞有關，比如被稱之為宇宙中最為劇烈的爆發現象——伽馬射線暴（簡稱伽瑪暴）[1]。

伽瑪暴通常被認為是在大質量恆星死亡（持續時標較長）或者緻密天體併合（持續時間較短）形生黑洞時產生的，而黑洞又會產生超亮的高能「手電筒」。它在爆發那一瞬，可將大約一個太陽的質量轉化成輻射能量，這些能量巨大到上百億光年外都能被觀測到。

而另外一個炙手可熱的研究領域——引力波天文學也與黑洞有關。2016年2月，美國自然基金委員會聯合Caltech和MIT的科學家們[2]宣布，他們直接探測到了來自於雙黑洞合併的引力波，為我們打開了一扇新的觀測宇宙的窗口。目前探測到的幾例引力波事件都沒有相應的電磁輻射，所以對於引力波天體的研究，目前還停留在「僅聞其聲，不見其形」的階段。

而對於其它可能的引力波源，比如雙中子星合併，在產生強烈引力波的同時，也還會產生很強的高能輻射（包括X射線），所以X射線的觀測必然對於這些天體的後續研究產生重要影響。

然而，在我們的宇宙當中，不僅前面提及的幾種現象會產生高能輻射，還有很多的情形都有可能會產生。圖 2列舉了大量豐富多彩、充滿了未知的X射線暫現源/爆發源，與我們通常所了解的物理環境相比較，這些現象通常都產生於一些極端的物理環境中，如超高溫、強磁場、強引力場、相對論性的高速物質運動等。而這些極端環境往往是地面實驗室不可能有的，所以對於基礎物理研究有著重要的意義。

?圖 2 宇宙中一些重要的的X射線爆發現象列舉，供圖：袁為民

X射線，桀驁不遜的光子

在利用X射線揭示宇宙的動態變化方面，天文學家也受到探測技術的限制，原因在於X射線光子能量非常高，很難被聚集起來。

即便是最低能的X射線光子，攜帶的能量也是可見光光子能量的百倍。人眼能見的光子能量大致在1.5~3電子伏特之間，對應的光譜波長約為780-380 納米。而最「軟」的X射線光子能量也超過了100 電子伏特。這些光子的穿透性極強，很難像可見光一樣被望遠鏡聚焦，發出這些光子的天體觀測自然也需要一些特殊的手段。

X射線望遠鏡：直線光學和聚焦成像

為了知道X射線光子從天空中哪個位置來的（或者說哪顆天體發出了X射線），通常採用的辦法有兩種：直線光學法以及聚焦成像法（能量更高的光子還有追蹤光子與物質作用產生的次級粒子徑跡的方法）。直線光學法是利用光子沿直線傳播的原理，通過遮擋的方式調製儀器視場，從而獲取光子的方向矢量。這其中最簡單的是準直器，就如同我們小時候玩的「紙筒看世界」的遊戲。

紙筒會遮擋我們視線的大部分視場，只能看到紙筒指向內的小範圍景物。也就是說，紙筒指向哪個方向，就只能看到那個方向的光子。當然，天文學家們用的「紙筒」都是用重金屬做的，精度和可靠性要求極高，價格大概只能用與它重量相當的黃金計算。

今年發射的慧眼衛星就使用了準直器（圖 3）成像設備來觀測X射線天體，這種方法是X射線天文中最早使用的探測方式。然而，儘管這種方式製造起來相對容易和簡單，卻因其空間定位的精確度較差，目前更多的望遠鏡使用了精確度更高的第二種方法——聚焦成像。

?圖 3 HXMT上的高能（HE）設備，可以看到X射線準直器的結構

聚焦成像的方法是設法改變X射線光子的傳播方向，使其能像光學望遠鏡一樣將光線匯聚起來，成為焦面上的一個小光斑（圖 4上），不同方向的X射線光子（不同的天體）形成的小光斑在焦面上的空間位置不同。而常見的X射線聚焦利用的則是X射線的掠射原理，可簡單理解為入射X射線的全反射。

目前常見的聚焦系統由一個雙曲面和一個拋物面結合而成，X射線經過兩次全反射後被聚焦。對於掠射式X射線光學，入射光幾乎平行於反射鏡面，造成反射面的有效面積極低（正比於反射面在入射光方向的投影），這也是X射線天文探測技術中的最大障礙。為了提高掠射鏡面的有效面積，一個X射線光學系統需要若干（幾十到上百個，圖 4下）個嵌套的反射面。

而為了提高X射線光子的聚焦度，反射面的表面也必須非常光滑，目前的工藝水準可以將表面的起伏差限制在0.5 納米左右，僅相當於一個原子的直徑，這也代表了人類光學加工的最高水平。

?圖 4上：經典的Wolter-I型X射線望遠鏡光路，X射線在藍色所示的鏡片上發生了掠射而改變了方向匯聚到焦點；下：XMM-Newton衛星上一個X射線光學鏡頭，由58層鏡片嵌套而成，圖片來源：歐洲航天局網站（http://sci.esa.int/xmm-newton/31318-x-ray-mirrors/）。

對於兩種X射線觀測設備來說，儀器特性有著巨大差別。直線光學型設備可以適用的能量很廣，價格也相對低廉，但在焦面上每一個點的信號都是儀器視場內各個方向信號的疊加，想看的、不想看的光子都混雜在一起。再加上為追求光子收集能力，焦平面需要很大，致使地球周圍的荷電粒子本底干擾（荷電粒子能在探測器中產生類似光子的信號，這是一種雜訊干擾）也很大。這就如同在工地上帶著耳機聽歌，恐怕只有雷鳴般的搖滾才能聽得下去。

而聚焦型設備，焦面上每一個點僅包含一個方向來（可簡單認為是一個天體）的光子信號，視場內的其它天體或者本底的干擾極小，如在一個極其安靜的房間內聽歌，絲絲齒音皆清晰可辨。這也註定了聚焦型設備在觀察弱源的能力（靈敏度指標）上要高出同等規模的直線光學型設備一個數量級。

對於時域天文學家來說，一個監視型設備的視場越大越好，因為視場越大，看到隨機事件的可能性越大；然而另一方面，為了看到比以往更弱的爆發現象，就需要使用聚焦成像的技術。這簡直是一個矛盾的組合：傳統的聚焦X射線望遠鏡視場不超過1平方度，而對於時域天體物理學家來說，他們的對未來大視場監視設備的需求是大於一個立體角（大致為3600平方度）的X射線聚焦望遠鏡！其實也不是很過分，視場需求僅大了3個數量級而已！

龍蝦，我們走！天文學家也需要你

如何解決這個矛盾的組合？科學家們從龍蝦眼球的結構中找到了靈感。

龍蝦，甲殼綱十足目動物的傑出代表，也是吃貨們心中的極品食材。它們特殊構造的眼球給了X射線天文學家一個啟發：這些神奇的動物的眼球使用反射成像（絕大部分動物包括人都使用折射成像，龍蝦是怎麼進化出來的？！），由大量的正交排布的、方孔形狀的微型管道構成，管道壁光滑且指向同一球心。這樣的結構會使得各個方向的光線匯聚到它們凸起的球形視網膜上。圖 7給出的是模擬的龍蝦眼X射線望遠鏡對於X射線天空成像的結果，實在很難想像龍蝦眼中的世界是一個怎樣的、光怪陸離的情形。

?圖 5 龍蝦及其眼睛的顯微照片，其眼球上可見大量的方形結構，圖片來源：NASA（https://www.nasa.gov/topics/technology/features/lobster-eyes.html）。其中，電子掃描顯微照片來自於Edward Gaten的文章（J. Comp. Physiol., A175, 749-759,1994）

美國亞利桑那大學Roger Angel正是受到了Michael F. Land關於甲殼綱十足目動物眼睛研究[4]的啟發，於1979年在其文章「龍蝦眼作為X射線望遠鏡（Lobster Eye As X-ray Telescopes）」[3]中提出的一種X射線成像光學構型（optical configuration），其主要目的為了實現理論上視場不受限制的X射線聚焦望遠鏡。利用正交排布的方形微管道及相互垂直的光滑內壁（光潔度均方根值優於1 納米）對X射線進行全反射（圖 6）。

由於所有微管道指向同一個球心（微管道徑向中心所在球面曲率半徑為R），當光子在一個微管道相互垂直的兩組壁上發生反射時，就匯聚到焦面上的焦點以及通過焦點的直線上，其成像（即其點擴展函數，Point Spreading Function）為十字型。這裡需要指出的是龍蝦眼光學系統的焦面是一個球面，曲率半徑為R/2。龍蝦眼光學系統沒有特定的光軸，視場可以覆蓋全部立體角，這也是這種系統獨一無二的特性，而廣泛使用的軸對稱Wolter型X射線望遠鏡視場很難超過1度。

?圖 6 左上，現代工藝製作的龍蝦眼光學器件；右上，龍蝦眼器件的電子顯微鏡照片，可見大量的微小方孔微管道結構；左下，M.F. Land在1976年為解釋龍蝦眼球成像而畫的光路圖（Nature, Vol. 263, 1976），他也是率先發現龍蝦眼成像秘密的科學家之一；右下，國家天文台X射線成像實驗室測量得到的龍蝦眼光學系統典型的成像光斑（PSF）。

當然，為了實現大的視場，龍蝦眼望遠鏡在成像光路中使用了大量的幾何光學近似，像差較大。在焦距375毫米的情況下，其極限解析度接近30角秒。然而由於工藝的原因，目前最好的龍蝦眼望遠鏡角解析度約為4角分，遠未接近理論極限，單從角解析度指標來看，龍蝦眼在所有X射線聚焦望遠鏡中算是差等生。儘管如此，對於時域天文學家來說，4角分和理論不受限的視場，已經達到了他們心中的最低預期（工程師內心獨白：科學家的都是偏執狂）。

?圖 7龍蝦眼光學望遠鏡對某個天區（300平方度）的模擬成像結果[5]，很難想像龍蝦看到的世界會是什麼樣子。

在提出龍蝦眼光學設想後的很長一段時間內，相關光學器件都無法生產，原因在於大規模、高質量地製作長徑比50:1左右（中國99主戰坦克那根125毫米直徑、6米多長的炮管也就51:1的管狀結構）、孔徑幾十微米的正方形管道結構無疑對微加工技術提出了巨大的挑戰。在借鑒了用於微光夜視的微通道板（Micro-Channel Plate, MCP）的玻璃拉絲工藝後，才逐漸研製出了微孔光學器件（Micro-Pore Optics, MPO）。

目前典型的微孔光學器件器件尺寸為40毫米*40毫米，厚度為1毫米，包含了上百萬個邊長20微米、長1毫米的微小方孔微通道結構（圖 8）。一個完整的龍蝦眼望遠鏡則由幾十個，甚至上百個微孔光學器件拼接而成（圖 9）。微孔光學器件微通道加工時的微小變形和統計特性誤差是目前制約龍蝦眼成像質量的主要因素。

?圖 8顯微鏡下的微孔光學器件的沿徑向剖面圖，可以看到眾多細長的方形微管道結構。

?圖 9 龍蝦眼望遠鏡鏡頭的一個組件，它也是龍蝦眼望遠鏡的核心，大小約為18厘米*18厘米。

愛因斯坦探針——未來之星

高能時域天文學是天文學一個重要的分支，人類啟動了大量的高能時域衛星項目用於探索宇宙的秘密（圖 10）。然而到目前為止，沒有任何大視場的X射線監視設備能夠跨越圖中那條靈敏度的鴻溝，將視野真正拓展到銀河系外。龍蝦眼光學系統的大視場、高靈敏度特點也成為未來X射線時域天文望遠鏡的首選。

正是看到了龍蝦眼望遠鏡的這個突出的優點，國際上提出了若干項目試圖在高能時域天文學的若干基本問題，如支配宇宙的基本規律和宇宙的起源上做出突破性進展。例如正在申請歐空局的M5項目中的THESEUS衛星，以及提交美國航天局的TAP項目，都使用了大視場的龍蝦眼望遠鏡。但由於種種原因，這些項目皆停留在論證階段。

令人高興的是，這一次中國天文學家走到了世界的前面。中國科學院空間A類先導專項支持研製的一顆龍蝦眼X射線天文衛星，正處於立項的最後階段，載荷的工程研製也已經全面展開。該衛星被暫時命名為愛因斯坦探針（Einstein Probe，簡稱EP，http://ep.bao.ac.cn/），一方面是向科學巨人致敬，因為愛因斯坦探針主要的科學目標中涉及到的黑洞和引力波都是愛因斯坦相對論的預言；另一方面，它是預期中能夠有效拓展科學家視野的革命性工具（圖 10），這個名字寄寓著對其科學發現能力的巨大期望。

?圖 10 X射線寬視場監視器發展歷程，唯有EP跨過了那條靈敏度的鴻溝，供圖：袁為民

愛因斯坦探針的科學目標可以用一句話總結[6]：在尚未有效探索的軟X射線波段，以國際上最高的探測靈敏度、在迄今監測範圍最廣的宇宙空間中發現突變天體和監測天體的活動性，發現和探索各種尺度的、沉寂的黑洞，探測引力波源的電磁波對應體並精確定位。此次，中國天文學家將有望在國際舞台上大顯身手，我們也期待著一個激動人心的時代的到來。

參考文獻：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma-ray_burst

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/First_observation_of_gravitational_waves

[3] J.R.P.Angel, Lobster Eyes As X-Ray Telescopes, The Astrophysical Journal, Vol. 233, P363-373, 1979

[4] M. F Land, Animal Eyes with Mirror Optics, Scientific American, 239, 126, 1978

[5] Donghua, Zhao; Chen Zhang, Weimin Yuan, et. al., Ray tracing simulations for the Wide-field X-ray Telescope of the Einstein Probe mission based on Geant4 and XRTG4, SPACE TELESCOPES AND INSTRUMENTATION 2014: ULTRAVIOLET TO GAMMA RAY, Proceedings of SPIE, Volume 9144, 91444E, DOI: 10.1117/12.2055434, 2014

[6] YUAN Weimin, OSBORNE Julian P, ZHANG Chen, WILLINGALE Richard. Exploring the Dynamic X-ray Universe: Scientific Opportunities for the Einstein Probe Mission. Chinese Journal of Space Science, 2016, 36(2): 117-138, http://www.cjss.ac.cn/CN/10.11728/cjss2016.02.117 .

作者簡介：

張臣，青年研究員，中國科學院國家天文台X射線成像實驗室執行主任，愛因斯坦探針衛星載荷研製團隊核心成員，中科院青年創新促進會優秀會員。畢業於清華大學工程物理系，主要研究方向為X射線空間天文儀器。

製版編輯：呂浩然｜

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