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最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

[日期:2016-04-13] 来源:网络  作者: [字体: ]

  出品:科普中国

  制作:中国科学院国家天文台黑洞来客团队 苟利军 黄月

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  北京时间4月8日的下午2点30分,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA, Japan Aerospace Exploration Agency)召开了一次不同寻常的新闻发布会,这次发布会无关任何最新的科研结果,而是向全世界汇报了日本新近发射的X射线卫星“瞳”(Hitomi)的近况。

  “瞳”是日本的第八颗天文卫星,是和美国宇航局(NASA)联合研制,于今年2月17日在日本的鹿儿岛发射场发射升空。最近突然无故解体,与母星地球失去了联系……

  发生了什么?

  在JAXA的官方网站上提到,“瞳”这个名字从中国的成语故事——画龙点睛——中受到启发。眼睛是我们了解这个丰富多彩世界的窗口,而这颗卫星携带的几个前所未有的高精度设备,让我们能够更好地研究和了解宇宙激烈变化的一面。

  

最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

图1:(左)画龙点睛的成语故事;(右)卫星“瞳”的想象图(来自于JAXA网站)

 

  “瞳”的灵敏度比之前的探测器高出几十倍。除分辨率高之外,它还具有集光能力强和成像的能量范围广等特点,并能精确地把光谱分解成不同的能量成分,让我们能够以前所未有的精确度更为深刻的理解黑洞和宇宙。

  那么,这颗寓意为“人类之眼”的卫星究竟遭遇了什么?

  根据目前的记录,我们可以知道,2016年3月25日,望远镜正在对其中的一个天体进行设备性能验证操作之时,望远镜的高度首先发生了异常变化。这发生在它整个任务的第二个阶段,也就是性能验证阶段。到3月26日北京时间凌晨3点10分的时候,卫星突然开始旋转,再到3月26日早上9点40分的时候,望远镜已经发生部分解体。

  美国的跟踪系统在望远镜所运行的轨道上发现了11块残骸,而美国的联合空间控制中心(Joint Space Opertions Center; JSpOC)则宣称发现了10块残骸。日本地面的射电和光学望远镜对这些残骸进行了追踪观测,光学望远镜确认了其中最大的的两块,分别命名为2016-012A和2016-012L。它们非常明亮,在以每分钟几圈的速度转动。通过对大小尺寸进行限制,科学家发现2016A很可能就是望远镜的主体,而2016-012L很可能是带有硬X射线成像探测器的可扩展光学平台,或者是太阳能电池板。

  造成部分部件首先解体的原因是旋转,而旋转又进一步导致了其他一些部件的解体。

  至于导致旋转的真正原因,尽管JAXA现在还没有真正找到,但是通过解体事件分析,他们相信应该不是空间碎片的撞击所为,最大的可能是卫星的推进系统氮气压力罐爆炸,或是冷却设备中冷却液的泄露导致的。

  在发现卫星部分部件解体之后,JAXA本来想利用随后卫星过境的机会和卫星进行通讯联系,对卫星发送传输指令和接受遥测数据,从而了解卫星究竟发生了什么。但是,截止3月29号之前,仅仅只接收到过总共6次来自望远镜的极短信号,并没有望远镜的其它观测以及状态数据,所以没有办法确认卫星的健康状态。在3月26日和3月27日分别两次,每次接受到的信号时长大约在几分钟,但是到了3月28日和3月29日时,每次的信号时间减少到只有几秒钟。

  解体后的碎片何去何从?

  通过对这些残骸轨道的追踪,JAXA发现,在过去的这段时间里,其中两块编号分别为M和K的残骸,其轨道高度发生了明显的降低,而且还在一直降低,预计它们会大约在一两个星期内落入地球大气层。但是它们体积很小,所以在下落过程中会因与大气层摩擦而完全燃烧,不留任何痕迹。

  其它卫星残骸目前看起来运行稳定,在目前的轨道高度上(大约500多公里),会存在相当长的时间。但是它们不会对正在运行或者之后的卫星造成损害,因为这些碎片都相对比较大,而且轨道确定,其它卫星很容易避开它们。

  

最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

图2:卫星正常工作和目前工作状态对比图(来自于新闻发布会手册截图)

 

  根据4月7日的新闻发布会,目前的首要任务就是和卫星建立联系。

  根据JAXA的估计,卫星的主体依旧完好,希望卫星主体的旋转最终能够减慢,这样太阳能电池板就有时间收集太阳能,望远镜可以重新获得能量,JAXA就存在一定的机会重新和望远镜取得联系。与此同时,JAXA也在对事故之前所收集的数据进行深入分析,调查产生异常的可能原因。

  卫星“瞳”到底有多厉害?

  卫星“瞳”主要由两部分构成。

  一部分是X射线望远镜的光学系统(X-ray Telescope), 它的作用是对X射线进行聚焦,和我们看到的光学波段的聚焦系统作用一样。“瞳”的光学系统包括了两个软X射线望远镜(Soft X-ray Telescope;一个用于光谱测量,一个用于成像测量,它们的能量观测范围大约都在0.3-12 keV)和两个硬X射线望远镜(Hard X-ray Telescope;观测能量范围在 5-80 keV)。

  另外一部分就是探测器系统。不同的探测器分别用于探测被不同望远镜所收集到的X射线光子。它包括软X射线成像仪(Soft X-ray Imager),软X射线光谱仪(Soft X-ray Spectrometer),硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager)。我们可以注意到,因为硬X射线很难聚焦,所以与软X射线探测器相比,它被放置在一个更远的位置上。除这些探测器之外,还有一个软伽马射线探测器(SGD,观测能区40-600keV),它能够监测观测方向上的伽马射线。

  在所有的设备中,最让人期待的是软X射线成像仪。因为它带有一个叫做微测热仪(micro-calorimeter) 的探测设备,具有对软X射线超精细分辨的能力,能量分辨可以达到4.2 eV(在6 keV处)。与之前的所有其它X射线卫星相比较,微测热仪在同样能量处的能量分辨率可以高将近30倍。所以如果此成像仪能够成功运行,将会使X射线的天文观测进入一个全新的、精细能谱观测时代。

  这个微测热仪虽然功能强大,原理却十分简单。它其实就是一个量热器,即通过测量温度的变化来测量入射的X射线的能量,这和我们测量不同温度水混合后的温度的道理是一样的。对于此微测热仪,它利用了一块薄的吸收体。当X射线入射到吸收体上时会引起吸收体的温度的变化,而温度的变化量就反应了入射X射线光子的能量。因为光子能量引起的温度变化通常很小,所以要求吸收体的系统温度处于极低的状态,通常工作温度大约为50mK(毫开尔文),几乎接近于绝对零度,所以制冷系统非常关键。目前通常使用的制冷技术是液氮制冷。

  在2005年日本发射的上一颗天文卫星—— 朱雀(Suzaku)上,本来也放置了类似的探测设备,但不幸的是,卫星上天没多久,冷却用的液氮发生了泄露,导致设备失效。这次卫星“瞳”吸取了上次的失败教训,除过液氮制冷之外,还放置了备用的机械制冷设备,以防液氮泄露。不过很可惜的是,现在卫星解体,暂时失联,探测设备是否还能使用还不知道。不过有人怀疑卫星的解体,就是液氮泄漏,导致卫星转动,从而使卫星部分部件脱离。还有说法认为是冷却系统的电池爆炸导致此次事故。

  

最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

图3:卫星“瞳”的科学组件构成 (来自于JAXA网站)

 

  在所有的观测设备中,另外一个很重要的观测设备就是硬X射线成像望远镜。这是全世界第二个对硬X射线聚焦成像的卫星,第一个是美国的硬X射线NuSTAR卫星(于2012年发射)。因为硬X射线能量很高,所以很难直接聚焦成像。从技术的角度而言,除了聚焦镜面需要特别处理之外,整个系统的聚焦长度也要求比较高,通常大约在10米以上。美国的NuSTAR卫星聚焦长度是10.14米,而“瞳”达到了12米。因为运载卫星的火箭无法容纳如此长的卫星,所以,还使用了一种叫做可扩展光学平台(extensible optical bench)技术。硬X射线探测设备放置在这个平台上,平台和卫星的主体以一个可以伸缩的桅杆相连接。光学平台在发射时候是收缩起来的,等到进入轨道以后可以伸展开来,从而达到所需要的长度。其实NuSTAR也使用了同样的技术上,而且因为连接平台和主体的桅杆比较脆弱,不能承受过大的旋转,所以一旦卫星转动,这个桅杆就有可能断裂。

  孪生兄弟或将替“瞳”远行

  作为日本的第八颗天文卫星,在开始正式的观测之前,“瞳”原本的太空之旅有四程路要走,但遗憾的是,它走到第二程便与我们失去了联系。

  

最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

图4:卫星的控制流程图(来自于新闻发布会手册截图)

 

  1.第一程:

  卫星于2016年2月17日发射升空,在截止到2月29日的11天之内,地面已经完成一些关键设备的验证和操作(Critical Operation Phase),比如卫星主体功能的验证,可扩展光学平台的打开等。因为这些过程涉及到卫星能否正常工作,所以非常的关键,需要首先得到测试和验证。

  2.第二程:

  在2月29日到4月中旬的这段时间,对各项仪器的性能进行测试(Performance Verification Phase)。保证各项设备能够按照之前预定的性能工作。

  3.第三程:

  从4月中旬到6月初,利用差不多6个星期的时间,对一些天体进行观测,从而对仪器的各项性能进行校准(Calibration Phase),更好得理解设备的各项性能,从而提高观测精度。

  4.第四程:

  第四个是测试观测阶段(Test Observation Phase),这一阶段大约持续6个月。而在这一阶段结束之后,卫星将进入正式的观测阶段。

  对于一个成功的卫星而言,每一个阶段都至关重要。如能进入第4个阶段,这就意味着卫星已经顺利运行。至于其最终运行的时间长短,则取决于部件的寿命和经费等多种因素。

  

最近,一个“小孩”走失在了茫茫太空之中

图5:日本Bisei光学望远镜观测到的遗骸像,位于十字的中心(来自于新闻发布会手册截图)

 

  对于“瞳”而言,此卫星探测设备的精度比之前提高了几十倍,让我们能够看到星系或者黑洞周围更为精细的一些结构,这对于整个高能天体物理的研究意义至关重要,所以每一位天文研究者都非常期望能够与它重新取得联系

  如果失联,不仅2.7亿美元的花费就打了水漂,还将对天文研究造成无法估量的损失。

  如果最终不能与”瞳“取得联系,那么科学家将会不得不暂时放弃。但是,从现在来看,这个放弃寻找的时间点还很难确定,也许是一两周,也许是在一个多月之后,也有可能是几个月。

  日本科学家在空间探索的道路上,向来以坚韧不拔的精神而著称,所以,只要有一丝可能联系的希望,他们都会努力去尝试。尽管,一些著名的科学家,比如英国知名天体物理学家Andrew Fabian,认为与“瞳”恢复通讯的可能性已经非常渺茫。

  当然,如果真的失联,人类很有可能再次发射一颗与“瞳”类似的卫星上天,继续它未竟的工作和使命。

  就像之前的日本的上一颗X射线卫星“朱雀”(Astro-E;日本第六颗天文卫星)一样,同样也是搭载了微测热仪探测器。Astro-E卫星的两次发射可以称得上是“命途多舛”:第一次,Astro-E卫星直接发射失败(因为发射失败,所以也没有别名),掉到了海里;第二次,时隔四年之后,Astro-E的一个复制品又被发射升空,这颗后来被命名为“朱雀”(Suzaku;同时也被称为Astro-E2)的卫星发射上去没几天,就因为液氮泄露,微热量仪设备不能运转,所幸其他设备未受影响,“朱雀”在运行了大约10年后,于2015年后半年停止了工作。

  祝福在茫茫太空走丢的“小孩”

  在通常情况下,卫星一旦失联,想要重新建立联系,比找回一个走失儿童的可能性还要低,很多情况下,主要是因为卫星缺少了动力或者能源。

  这方面的例子比比皆是。

  在最近的一次报道中,2016年3月24日,美国空军航天司令部(AF Space Command)正式承认已损失先前失联的一颗气象卫星。早在2016年2月11日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的地面操作人员就发现他们无法控制该卫星,直到3月24日,航天司令部正式承认损失后,位于科罗拉多州施里弗空军基地(Schriever AF Base)的地面操作人员才放弃与该卫星恢复通信的尝试。损失的这颗卫星是“防卫气象卫星计划”(Defense Meteorological Satellite Program)中的第5D批次第19星,由洛克希德•马丁公司生产,于2014年4月发射。防卫气象卫星主要用于预测大雾、雷暴、飓风等可能影响军事行动的气象。该卫星是目前美军最新的一颗气象卫星,原定使用寿命为5年。

  当然也有一些特殊情况,人类通过种种尝试与先前失联的太空“小孩”重新取得了联系,令我们欢呼雀跃。比如菲莱彗星探测器(Philae),它在失联7个月之后,又苏醒过来,并且和地球取得了联系。菲莱是历史上首个登陆彗星的太空飞船,去年11月由罗塞塔号送上彗星67p。在彗星上工作了60个小时后,菲莱由于太阳能燃料不足而“冬眠”。后来,随着彗星67p距离太阳越来越近,菲莱吸收了足够的能量,让自己“苏醒”了过来。

  现在的“瞳”也很可能是因为卫星高速旋转,太阳板不能有效吸收太阳能,从而无法提供电力。按照JAXA所说,如果卫星主体能够逐渐减慢转速的话,那么就有可能和卫星再次建立联系。但是什么时候转速才能减慢,我们目前还无从得知。

 

  人类在太空探索上雄心勃勃,不过探索道路不易,让我们祝愿JAXA好运,早日寻回在茫茫太空走失的“孩子”——卫星“瞳”。





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