2016年2月17日,X射线天文卫星“瞳”于日本种子岛宇宙中心发射升空。“瞳”为日本航天局(JAXA)研制的第六代X射线天文卫星,集全球最新科技于一身,其性能远超之前发射升空的其他X射线天文卫星。那些我们从未了解过的宇宙,诸如巨大黑洞的模样以及围绕星系团高温气体的形态,也许都会因“瞳”的登场得以一窥究竟。
但是,这颗天文卫星于2月17日成功发射后的五周,就传来了失去控制的消息,原因很可能是非常基础的工程问题:卫星“瞳”的控制系统似乎是搞反了火箭推进器的点火方向,导致本来该减速旋转的航天器进行了加速。终于,日本航天局于4月28日宣布这颗造价2.86亿美元的卫星丢失,并且从卫星主体上散落出至少10块碎片,其中包括为卫星供电的太阳阵帆板。
卫星“瞳”的问题实际上是出在了“追星仪(star tracker)”上面。追星仪是卫星上几套重要的空间定位系统之一。其实,追星仪每次经过南美的东海岸,一个叫做”南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly)”的地方,都会出一些小毛病。原因是这个区域辐射带较低,致使卫星暴露在大量的高能粒子中。尽管追星仪的这些小毛病不是什么致命的问题,但它却导致了一系列的连锁故障。
日本时间3月26日凌晨3点,航天器按预编的程序进行旋转,以便从观测蟹状星云的角度调整至观测马卡良205星系。但是轨道运行至该处时恰巧追星仪出了故障。没关系,追星仪出故障这点我们早就料到了,于是卫星开始依靠另一套系统,陀螺仪,来计算卫星的空间位置。但是偏偏这组陀螺仪也出错了,它告诉控制器卫星正在以每小时20度的速度旋转。星载计算机信以为真,让反动轮开始运转以抵消这个其实并不存在的旋转速度。
最这样,卫星最终飞速地旋转了起来。飞速旋转后的卫星在凌晨4点钟自动进入了安全模式,试图利用推进器点火迫使旋转停止。但是预置的点火方向搞反了,卫星遭到点火加速,旋转得更加欢快了。而这一系列故障都发生在地球的另一面,卫星无法与日本的控制系统取得实时联系。3月25日当晚,项目的美国团队还在庆祝卫星“瞳”任务的完美开端。谁知第二天一早,就收到了来自日方的邮件,得知卫星正处于紧紧急状态。
原本的计划探索巨大黑洞的演化。迄今为止,根据地面望远镜和X射线天文卫星的观测,人们发现几乎所有星系的中心都存在着一个质量约为太阳数百万倍-1亿倍的巨大黑洞。但是,这种巨大的黑洞,和太阳质量30倍以上的恒星所演变成的一般黑洞相比,实在重了太多。在这长达138亿年的宇宙历史中,这种巨大黑洞是什么时候以及怎样形成和长大的,目前还不清楚。“瞳”预定将观测距离地球约80亿光年的巨大黑洞。
看到了遥远天体发出的光,也就意味着看到了宇宙的过去,借助“瞳”出色的分光能力观测各种距离(时代)的巨大黑洞,也许就能更加清晰地知晓巨大黑洞是怎样成长的。搭载仪器软X射线光谱仪(SXS)、软X射线成像仪(SXI)、硬X射线成像仪(HXI)、软伽马射线探测器(SGD)、软X射线望远镜(SXT)、硬X射线望远镜(HXT)。
另外,虽然黑洞会通过吸收物质而成长,但其实,本应被吞入黑洞的物质的一部分,也会被喷出自身所在的星系。成长中的年轻而活跃的巨大黑洞,会通过这种剧烈的现象对自身所在的星系和星系团造成强烈的影响。借助“瞳”高精度的观测,落入巨大黑洞的气体和从中高速喷出的物质的速度,都可以通过X射线的多普勒效应(靠近我们的光波长变短而远离我们的光波长变长的现象)进行测量。
也就是说,“瞳”可以通过测量气体等物质的速度,对巨大黑洞影响星系和星系团的情况进行具体的量度。寻找“看不见的东西”。星系团作为宇宙中尺度最大的天体,其可见光部分唯有星系本身构成。但是,如果使用X射线观测,就会在同一区域发现数倍于星系质量的高温气体。不仅如此,星系团中还存在着质量高达可见光和X射线等光(电磁波)能够“看到的”物质5倍以上的“暗物质”。
暗物质是有质量(产生引力效应)但是无法被光(电磁波)直接探测到的物质。高温气体被拥有强大引力的暗物质所吸引,封闭在星系团中。“瞳”利用X射线的多普勒效应,观测这些高温气体或旋转或弥散的运动。这样,就能间接地了解用光无法探测的暗物质的情况。一无所获?那么,升空一个月就宣告报废的卫星“瞳”是不是真的一无所获呢?并不是(安慰一下吧)。
因为卫星“朱雀”的前车之鉴,科学家们这回在卫星“瞳”发射仅仅8天后,就启动了一项非常重要的前期观测项目,即观测距地球2.5亿光年的英仙座星系团。通过观测星系团气流的速度,卫星“瞳”揭示了星系团的气体是怎样随着行星的诞生与消亡而产生变化的,这对宇宙中暗能量的探索至关重要。