2017年天文学热点盘点 2018年期望得到首幅黑洞图像

【天文仪器】

视界面望远镜首次进行黑洞成像观测

对于黑洞的形象，即使做了几十年黑洞研究的科学家，也不是很确定。不过在2017年，科学家终于为黑洞拍下了第一张真正的照片。在2017年4月5—14日，由麻省理工学院科学家联合全球30多个研究所的科学家开展了一项雄心勃勃的庞大观测计划，利用分布于全球不同地区的8个射电望远镜阵列组成一个虚拟望远镜网络，其有效口径尺寸可达到地球直径大小，它由两个相距最远的望远镜距离决定。

图7 望远镜全球分布示意 图片来源：“科技导报”微信公众号

黑洞，一个连光都难以逃脱的天体，自从被广义相对论在1916 年理论预言，人们就一直对它充满了好奇。20世纪60年代天鹅座黑洞X-1的偶然发现，成为黑洞的第一个候选体。到目前为止，天鹅座X-1黑洞已经被确认，许多其他的黑洞也已经被发现。根据黑洞质量的大小，天文学家将之划分为恒星量级的黑洞和超大质量的黑洞。天鹅座X-1黑洞就是恒星量级黑洞的经典代表，而银河系中心的黑洞Sgr A*是超大质量黑洞的代表。

黑洞自身不发光，难以直接探测，科学家通常采用“曲线救国”方式，即利用观察周围恒星的运动来测量质量，如果超过一定质量或者在狭小的空间之内质量过大，就可以判断其为黑洞，然而最为确定的方式是直接观测到黑洞。

视界面望远镜此次观测目标主要有两个，一是银河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87 中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标，是因为它们的视界面在地球上看起来是最大的。其他黑洞因为距离地球更远或质量大小有限，观测的难度更大。

要想看清楚两个黑洞视界面的细节，视界面望远镜的空间分辨率要达到足够高，需比哈勃望远镜的分辨率高出1000倍以上。科学家之前可以利用单个望远镜实现黑洞周围恒星位置的测量，但是相较于恒星与黑洞之间的距离尺度(约在光年尺度以上，1光年=9.5× 10 12km)，视界面的尺度太过微小，因此利用单个镜面很难完成。为增强空间分辨率，需采用“干涉”技术，即利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测，最后将数据进行相关性分析后合并，这一技术在射电波段已相当成熟。

根据视界面望远镜项目组成员、马普射电天文研究所所长Michael Kramer所言，“所有观测结果都很好，而且南极观测数据也已经拿到”。因为视界面望远镜要处理的数据量巨大，为黑洞“洗照片”的耗时恐怕有些漫长，黑洞的面貌究竟是否真如作家、艺术家或电影导演所呈现的那般，让我们期待2018年。

“慧眼”卫星发射成功，开启中国X射线天文学时代

2017年6月15日上午11时，中国第一颗X射线天文卫星“慧眼”。

图8 HXMT卫星发射升空 图片来源：“科技导报”微信公众号

由于地球大气的吸收，对天体X射线的观测只能在大气层之上进行。自1970年世界首颗天文X射线卫星Uhuru发射以来，人类至今共发射了50多台X射线天文望远镜，如NASA 的Chandra 和欧洲航天局的XMM-Newton。中国由于技术和经费原因，HXMT的研制过程异常艰辛。如今在科学家20多年的不懈努力之下，“慧眼”上天，中国X射线天文学时代终于到来。

“慧眼”又名硬X射线调制望远镜和空间环境监测器，利用简单成熟的准直型望远镜实现高灵敏度快速成像。科学目标是进行X射线银盘巡天，对可能的黑洞、中子星等X射线源进行定点研究，同时对遥远的宇宙学距离上的伽马射线暴进行监测。

“慧眼”发射后，科学家对它进行了详细全面的在轨测试工作。经过5个月的测试，HXMT卫星和有效载荷的各项功能、性能均符合研制总要求，有效载荷工作原理和科学应用系统得到验证，取得了初步科学成果。尤其是参与了轰动全球的双中子星并合产生引力波及电磁对应体事件的探测，对其伽马射线电磁对应体在百万电子伏特能区的辐射性质给出了严格的限制，为理解该引力波事件做出了积极贡献。

继“慧眼”之后，中国科学家已经开始着手研制其他项目的X射线卫星，包括在软X射线波段巡天的爱因斯坦探针卫星也在积极准备申请中，其巨大的探测面积和高精度的时间分辨率将帮助科学家看到更精细的天体结构和发现更多的天文现象。

别了，卡西尼！

美国东部时间9月15日7∶45，“卡西尼号”，自此结束了它20年的太空征程和13年的土星探索时期。因为距离遥远，当NASA接收到最后信号时，“卡西尼号”实际已经消失83 min。

图9 “卡西尼号”坠落想象图 图片来源：NASA

该探测器20年间22次穿越土星与土星环之间，收集重要数据并拍下珍贵照片，总共向地球传回635 GB科学数据、执行了250万条指令，围绕土星轨道近300次，发现了6个卫星，并为泰坦海底可能存在海洋提供了证据。

“卡西尼号”是“卡西尼-惠更斯号”探测器的一个组成部分。“卡西尼-惠更斯号”是美国国家航空航天局、欧洲航天局和意大利航天局的一个合作项目，携带了27种最先进的科学仪器设备，主要任务是对土星系进行空间探测。“卡西尼号”探测器以意大利出生的法国天文学家卡西尼的名字命名，其任务是环绕土星飞行，对土星及其大气、光环、卫星和磁场进行深入考察。而搭载的“惠更斯号”是用来探测土星最大卫星土卫六的探测器。

1997年10月15日，“卡西尼-惠更斯号”从美国的卡纳维拉角发射升空。从地球到土星，“卡西尼号”飞了7年。借助引力弹弓效应，先后2次掠经金星，最终抵达土星。

“卡西尼号”从2004年进入土星轨道以来，已经运行了13年，飞掠泰坦多达127次。而随“卡西尼号”一起的“惠更斯号”在2005年登陆泰坦，收集到了这颗土星卫星的第一手数据，土卫六是太阳系中的第二大卫星，因为其表面分布着大量液态烷烃，被怀疑可能存在生命。美国国家航空航天局猜测液态烷烃的海洋能够支持生命，因为在地球早期也有类似的大气成分，嗜好烷烃的生命有可能在那儿生存。

“卡西尼号”原计划在2008年就达到其设计寿命，2017年“卡西尼号”携带的燃料所剩无几，已经没有能力来改变它的飞行轨道。为了避免失去动力的飞船撞向土星的卫星，破坏后续的探测任务，因此NASA选择让它坠入土星大气层自毁。“卡西尼号”以极超音速进入土星大气层，短短几分钟内便会熔化，化为灰烬。因为探测器不会有任何大的有机分子幸存，而且土星并不是一颗适居性星球，这也是NASA决定让“卡西尼号”坠毁土星的原因。

尽管“卡西尼号”已坠毁，它的2个继任者已经在筹备当中，即将探索稍微靠近的木星系统。欧洲航天局的“果汁”任务将于2022年发射，探索木星和木卫三系统。同年，美国国家航空航天局将利用新型超级运载火箭SLS发射“欧罗巴快帆号”。这项任务投资20多亿美元，将45次近距离飞跃木卫二欧罗巴，研究这颗卫星的宜居性。

FAST首次探测到脉冲星

2017年10月10日，中国科学院国家天文台公布了500 m口径球面射电望远镜在竣工后1年取得的首批成果，包括探测到数颗优质脉冲星候选体，其中2颗已通过国际认证。这不仅是中国历史上首次利用自行研制的天文学设备探测到脉冲星，也表明望远镜调试进展超过预期，在1年内实现了基本观测功能。

位于中国贵州省平塘县克度镇大窝凼喀斯特洼坑的FAST又称“中国天眼”，是目前世界最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜。由4450 块反射面板单元、6670根主索、2225根下拉索和2225个促动器组成的主动反射面系统，接收面积相当于30个足球场大小，比此前最大、被誉为人类20世纪十大工程之首的美国Arecibo望远镜的灵敏度还要高2倍多。基于3项全部中国知识产权的自主创新——选址方法、索网主动反射面、柔性索结合并联机器人的馈源支撑，突破了射电望远镜工程极限。

如此庞大复杂的FAST，其建设和调试难度可想而知。FAST于2016年9月26日竣工，随后进行了调试、标定望远镜性能及试观测等工作，2017年8月27日，FAST首次实现跟踪观测，并稳定地获取目标源的信号。随后，又成功地实现了换源、编织扫描、跟踪等多种观测模式。至此，FAST完成了望远镜的功能性调试。

中国科学院国家天文台将在未来2年继续对FAST进行调试，以期达到设计指标，通过国家验收，实现面向全国学者的开放。同时进一步验证、优化科学观测模式，继续催生天文发现，力争早日将FAST打造成为世界一流水平望远镜设备。

【结论与展望】

2017年，天文事件精彩纷呈，最为突出的依旧是引力波探测，有设备才能有大发现，这也体现了天文学是发现型学科的本质。视界面望远镜观测成功，数据处理正在进行中，期望2018年得到人类历史上第一幅黑洞图像，能看到它的真实面目，着实令人兴奋。中国的HXMT“慧眼”卫星运行超乎想象的好，正式观测在即，必将做出很多意想不到的发现。FAST 在2018年3月即将对收集信号的馈源做出升级，从现有的一个像素更新到19个馈源，这样会使观测效率大为提高，因此可以预计无论是从发现脉冲星或者做出其他发现的速度将会得到大大加快。另外暗物质探测卫星“悟空”运行状态也很好。可以看到中国的观测设备在迎头赶上，并且有超越之势。期待中国的天文设备能够顺利运行，发现更多的宇宙神秘现象。