在浩瀚無(wú)垠的宇宙中，最神秘莫測(cè)、天文學(xué)家最熱衷研究探索的莫過(guò)于黑洞。事實(shí)上，這個(gè)試圖用引力把自己遮蓋得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的家伙，不僅頻繁出沒(méi)于科幻故事之中，而且時(shí)常會(huì)出鏡于新聞媒體。
據(jù)國(guó)家航空航天局（NASA）網(wǎng)站報(bào)道，當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月13日上午9時(shí)（北京時(shí)間14日凌晨1點(diǎn)）從太平洋地區(qū)的馬紹爾群島成功發(fā)射的“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”（NuSTAR），更是耀亮了人們的眼球，因?yàn)樗鼤?huì)像獵手一樣去捕捉宇宙中黑洞的信息，以及詳細(xì)觀測(cè)超高密度中子星和超新星殘骸等。
探測(cè)路徑
根據(jù)現(xiàn)代廣義相對(duì)論的預(yù)言，黑洞是在宇宙空間中存在的一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體，是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮而形成。黑洞的質(zhì)量如此之大，所產(chǎn)生的引力場(chǎng)如此之強(qiáng)，以至于任何物質(zhì)和輻射都無(wú)法逃逸，就連光也是如此。由于其類似于熱力學(xué)上完全不反射光線的黑體，故名為黑洞。
那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來(lái)的呢？答案就是——彎曲的空間。我們知道，光是沿直線傳播的�？墒歉鶕�(jù)廣義相對(duì)論，空間會(huì)在引力場(chǎng)作用下彎曲。這時(shí)候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來(lái)是要走直線的，只不過(guò)強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來(lái)的方向。在地球上，由于引力場(chǎng)作用很小，空間的彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會(huì)落入黑洞中消失，可另一部分光線會(huì)通過(guò)彎曲的空間繞過(guò)黑洞而到達(dá)地球，使人類能夠觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。
由于黑洞中的光無(wú)法逃逸，所以無(wú)法直接觀測(cè)到黑洞。然而，可以通過(guò)測(cè)量它對(duì)周圍天體的作用和影響來(lái)間接觀測(cè)或推測(cè)到它的存在。比如說(shuō)，恒星在被吸入黑洞時(shí)會(huì)在黑洞周圍形成吸積氣盤，盤中氣體劇烈摩擦，強(qiáng)烈發(fā)熱，而發(fā)出X射線。借由對(duì)這類X射線的觀測(cè)，可以間接發(fā)現(xiàn)黑洞并對(duì)其進(jìn)行研究。
2004年2月18日，NASA宣稱，歐美一些科學(xué)家通過(guò)分析牛頓X射線望遠(yuǎn)鏡和錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡的一些探測(cè)數(shù)據(jù)，找到了黑洞撕裂恒星的第一個(gè)證據(jù)。在距地球7億光年的RXJ1242-11星系中，一顆太陽(yáng)大小的恒星，在經(jīng)過(guò)星系中心的1億倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨型黑洞時(shí)，被部分撕裂。
而此次發(fā)射的“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”X射線空間望遠(yuǎn)鏡，可以有效地作為前兩種只能在較低能量的波段觀測(cè)X射線閃光的空間望遠(yuǎn)鏡的補(bǔ)充。當(dāng)然，X射線空間望遠(yuǎn)鏡的圖像不可能和哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像媲美，畢竟哈勃是以可見(jiàn)光波段為主。
一波三折
盡管NASA于6月7日聲稱，一個(gè)關(guān)于黑洞的探測(cè)項(xiàng)目——重力與極磁場(chǎng)小型探測(cè)器（GEMS）因預(yù)算超支而下馬，但緊接著提上日程的是，13日采用低成本方式發(fā)射的NuSTAR高能X射線望遠(yuǎn)鏡將繼續(xù)對(duì)黑洞的探索。
殊不知，NuSTAR也曾差點(diǎn)被取消。2003年，NASA在征尋太空探測(cè)方案時(shí)，接到小探測(cè)工程計(jì)劃的36個(gè)方案，其中就包括NuSTAR計(jì)劃。經(jīng)過(guò)兩三年反復(fù)的選擇衡量，NASA選定NuSTAR進(jìn)行一年的可行性研究。2006年2月，這個(gè)計(jì)劃因?yàn)橄乱荒甓鹊目茖W(xué)預(yù)算被縮減而取消。所幸的是，2007年9月2日，NuSTAR計(jì)劃被重新啟動(dòng)，并預(yù)期在2011年8月發(fā)射，但因?yàn)橐恍┰蚨悠凇?/div>
直到最近，NASA和軌道科學(xué)公司的合約確認(rèn)要以該公司的飛馬座XL于2012年發(fā)射NuSTAR。發(fā)射時(shí)間一再更改之后，終于確定為6月13日，發(fā)射地點(diǎn)選在瓜加林環(huán)礁。
此次發(fā)射采取的是空中發(fā)射方式，這樣比地面發(fā)射要大大節(jié)省燃料成本。NuSTAR探測(cè)器的觀測(cè)之旅開(kāi)始于由美國(guó)軌道科學(xué)公司運(yùn)營(yíng)的L-1011“觀星者”運(yùn)載機(jī)。它由一枚“飛馬座 XL”空射火箭搭載，火箭本身被懸掛在運(yùn)載機(jī)的機(jī)腹下方。在發(fā)射前一小時(shí)，運(yùn)載機(jī)從位于太平洋中部的瓜加林環(huán)礁機(jī)場(chǎng)起飛，太平洋時(shí)間13日上午9時(shí)，空射火箭脫離運(yùn)載機(jī)，自由落體5秒后自動(dòng)點(diǎn)火，第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，隨后將NuSTAR推入軌道。
本領(lǐng)超強(qiáng)
NuSTAR項(xiàng)目由美國(guó)加州理工學(xué)院和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)展。最初是加州理工學(xué)院發(fā)起，由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)負(fù)責(zé)管理。探測(cè)器本身由美國(guó)軌道科學(xué)公司制造，而其搭載的各種設(shè)備由加州理工、NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、加州大學(xué)伯克利分校、哥倫比亞大學(xué)、NASA戈達(dá)德空間飛行中心、勞倫斯利佛莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及丹麥技術(shù)大學(xué)等機(jī)構(gòu)提供。
這顆探測(cè)器造價(jià)約1.7億美元，是美國(guó)低成本“小型探測(cè)器項(xiàng)目”的一部分，是NASA小探測(cè)工程計(jì)劃中的第11顆衛(wèi)星（SMEX-11）。任務(wù)時(shí)長(zhǎng)2年，軌道高度550公里。
其前身是使用氣球搭載的高能聚焦望遠(yuǎn)鏡，使用的儀器技術(shù)相當(dāng)類似。望遠(yuǎn)鏡類型近似錐形沃爾特一型望遠(yuǎn)鏡（掠射望遠(yuǎn)鏡）。觀測(cè)的波段是來(lái)自天體的5keV到80keV（千電子伏）之間的高能X射線，尤其是核光譜。它是能量超過(guò)錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)鏡和XMM-牛頓衛(wèi)星所觀測(cè)波段的第一顆直接攝影的太空X射線望遠(yuǎn)鏡。
項(xiàng)目首席科學(xué)家、加州理工學(xué)院教授菲奧娜·哈里森說(shuō)，NuSTAR是第一顆專注于高能X射線的望遠(yuǎn)鏡，其影像清晰度比觀測(cè)同光譜區(qū)的任何其他望遠(yuǎn)鏡都要高至少10倍，敏感度則提高至少100倍。
NuSTAR采用的獨(dú)特技術(shù)包括一個(gè)33英尺（約合10米）長(zhǎng)的桅桿，在發(fā)射時(shí)它呈折疊狀態(tài)安放。在大約7天時(shí)間內(nèi)，工程師們將指令這一桅桿逐漸展開(kāi)，從而幫助探測(cè)器準(zhǔn)確定焦。其在軌道上會(huì)展開(kāi)太陽(yáng)能帆板給電池充電，23天后即可開(kāi)始科學(xué)探測(cè)工作。
鎖定黑洞
NuSTAR主要的科學(xué)目標(biāo)是深度探索質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)10億倍的黑洞，并了解粒子在活動(dòng)星系核如何被加速到光速的百分之幾，以及研究超新星殘骸以了解重元素如何在超新星中形成。探測(cè)器將使用獨(dú)特的技術(shù)對(duì)宇宙中最高能級(jí)的X射線輻射展開(kāi)觀察。它的探測(cè)裝置能穿透塵埃氣體云，發(fā)現(xiàn)我們銀河系核心隱匿著的黑洞，以及隱藏在其他遙遠(yuǎn)星系核心的黑洞。
哈里森說(shuō)：“通過(guò)這個(gè)全新的高能X射線望遠(yuǎn)鏡，我們將看到（宇宙中）最熱、最密和最具能量的物質(zhì)，以幫助我們找到那些最難以捉摸、最活躍的黑洞目標(biāo)，來(lái)理解宇宙的結(jié)構(gòu)。”
NASA天體物理部門主管保羅·赫茲說(shuō)：“借助這顆衛(wèi)星所具備的前所未有的高空間和光譜分辨率，我們將大大加深對(duì)電磁波的X射線波段的了解。這一項(xiàng)目也將對(duì)現(xiàn)有的大型空間觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡，如費(fèi)米、錢德拉、哈勃和斯皮策望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)提供重要補(bǔ)充。”
除了黑洞和其他強(qiáng)大的噴流現(xiàn)象，NuSTAR還將對(duì)宇宙中其他許多高能天體展開(kāi)觀測(cè)，包括超新星遺跡、致密恒星體(如白矮星、中子星)以及星系群。它將和NASA的其他大型空間望遠(yuǎn)鏡協(xié)調(diào)進(jìn)行，包括同樣工作于X射線波段的錢德拉望遠(yuǎn)鏡，后者的工作波段主要集中在低能X射線領(lǐng)域。這樣的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合將幫助回答有關(guān)宇宙的一些最基本問(wèn)題。NuSTAR還將對(duì)太陽(yáng)大氣開(kāi)展觀測(cè)，嘗試解答太陽(yáng)的大氣加熱模式問(wèn)題。
加利福尼亞大學(xué)的理論家史蒂夫·吉丁斯曾說(shuō)：“可能探測(cè)黑洞的信息將導(dǎo)致一場(chǎng)革命，意義和量子力學(xué)的出現(xiàn)一樣深遠(yuǎn)。通過(guò)破譯黑洞的信息，人類可能會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙的另一邊是怎樣的。”
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