中国科学家获得国际上首批宇宙大视场X射线聚焦成像天图

2022年8月27日，在太原举行的第二届中国空间科学大会上，来自中国科学院国家天文台的研究人员发布了EP-WXT探路者的首批在轨实测结果。该设备是爱因斯坦探针（EP）卫星宽视场X射线望远镜（WXT）的一个实验模块，于北京时间2022年7月27日搭载由中科院微小卫星创新研究院抓总研制的空间新技术试验卫星（SATech-01）发射升空。该项实验旨在开展一系列在轨测试和观测实验，为未来EP-WXT尽早开展科学运行奠定基础。EP卫星是由中科院主导的卫星，欧洲空间局和德国马普地外物理研究所参与合作，计划于2023年底发射。

该仪器采用了先进的微孔龙虾眼X 射线聚焦成像技术，观测视场可达340平方度（18.6度x18.6度），是国际上首个宽视场X射线聚焦成像望远镜。相比国际上其它X射线聚焦成像望远镜，其视场大小提高了100倍左右。截至目前，仪器已开展了为期4天的在轨测试观测，成功获得了一批天体的真实X射线实测图像和能谱。这是国际上首次获得并公开发布的宽视场X射线聚焦成像天图。仪器的关键器件包括36片微孔龙虾眼镜片组成的X射线聚焦镜组件和4片大阵列CMOS传感器组成的焦面探测器，均为我国自主研发。这也是首次将CMOS传感器应用于空间X射线天文探测。EP卫星将搭载12个相同的WXT望远镜模块，总视场可达3600多平方度。

科学家利用该仪器首先观测了银河系中心天区（图1）。结果显示，单次观测就能够同时探测到多个方向上的X射线源，包含了恒星级质量黑洞和中子星。观测也捕捉到一个X射线辐射增亮数倍的中子星X射线双星（图2左）。同时，从数据中还能获得这些天体X射线辐射强度随时间变化的信息，以及天体的X 射线能谱。观测结果与仿真结果（图2右）相比高度一致。该仪器也观测了银河系的近邻星系——大麦哲伦云（图3），单次观测即可覆盖整个星系，同时探测到包含黑洞和中子星的多个X射线源。通过未来更多的观测，宽视场望远镜将能高效地监测天体的X射线光变，预期将发现新的暂现源。图4展示了对著名的天鹅座超新星遗迹的成像结果，表明了龙虾眼望远镜对弥散源的成像能力。对超新星遗迹Cas A的观测，则充分展示了CMOS探测器优秀的X射线能谱分辨率（图5）。仪器还探测到距离8.14亿光年的遥远类星体的X射线，证明其对较暗弱的X射线源的探测能力（图6）。

初步测试结果表明，仪器功能正常，为满足EP宽视场望远镜的科学需求奠定了坚实的基础。EP卫星首席科学家、中科院国家天文台袁为民博士表示，“这些结果十分激动人心，表明我们的仪器能够获得预期科学数据，为此我们付出了十多年的努力。我对未EP的科学能力充满信心“。国际上该领域著名专家，英国莱斯特大学P. O’Brien教授和R. Willingale教授表示：“WXT的首光结果令人印象深刻。这是第一个宽视场X射线聚焦望远镜，创造了一个新记录。…… 几十年来，我们一直在期待一个真正的宽视场软X 射线望远镜，EP-WXT探路者的成功运行令人振奋。这项技术将对X射线天空的监测带来变革性的推动，这项试验也表明了EP卫星巨大的科学潜力。”

该仪器由中科院国家天文台和中科院上海技术物理研究所联合研制，国家天文台X射线成像实验室于2011年开始研发龙虾眼X射线成像技术，与北方夜视技术股份有限公司开展密切合作，联合研发核心微孔光学器件，器件由北方夜视提供。中科院国家空间科学中心和中科院电工研究所也参与仪器的研制。SATech-01是中科院空间新技术试验卫星系列的首发星，由中科院立项。EP卫星由中科院空间科学（二期）战略性先导专项支持，中科院国家空间科学中心是空间科学（二期）先导专项总体单位，卫星由中科院微小卫星创新研究院抓总研制。

图1:宽视场 X射线望远镜模块对银河系中心天区单次观测获得的X射线图像（视场18.6度x18.6度）。背景为Gaia的光学全天图像（银河系Gaia图片来自https://www.sci.news/astronomy/gaia-second-release-05950.html）。

图2:对银河系中心天区单次观测获得的X射线图像（左图）和仿真图像（右图），左右图的观测时长同为800秒，视场18.6度x18.6度。（左图中红色标记的是捕捉到的一个变亮的中子星X射线双星）。

图 3:左图：近邻星系大麦哲伦云的DSS光学图像（https://archive.eso.org/dss/dss）；右图：宽视场X射线望远镜对大麦哲伦云进行700秒观测后得到的X射线图像（1 个CMOS视场，9.3度x9.3度）。

图 4:观测到的天鹅座环状星云 (角直径2.5 度) 的X射线伪彩色图像（颜色代表光子的能量，红色 0.3-0.6 keV; 绿色 0.6-0.8 keV; 蓝色 0.8-2.0 keV），观测时长为600秒。

图 5:观测到的超新星遗迹Cas A的X射线能谱，观测时长为1100秒。分析表明能谱分辨率为150eV

图 6:对遥远的类星体3C 382（红移0.056，距离8.14亿光年）的探测，表明仪器具有对较暗弱X射线源的探测能力