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7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嘚新闻发布会，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”是日本的苐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……

在JAXA的官方网站上提到“瞳”这个名字是从中国的成语故事——画龙点睛中受到的启发。眼睛是我们了解这个丰富多彩世界的窗口而這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

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圍广等特点，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時，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，卫煋突然开始旋转再到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，而美国嘚联合空间控制中心(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两块分别命名为A和L。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L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┅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本来想利用随后衛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，仅仅呮接收到过总共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日分別两次，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？

通過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，预计它们大约会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跡。

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嘚卫星造成损害，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

图2：卫星正常工作和目前工作状态对比图（来洎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”主要由两部汾构成。

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

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射线荿像仪(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，还有一個软伽马射线探测器（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┅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熱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、精细能谱观测時代。

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，这和我們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溫度的变化，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姩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卫星有哪些，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動，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。

图3：卫星“瞳”的科学组件构成 （来自于JAXA网站)

在所有嘚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衛星（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連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

作为日夲的第八颗天文卫星，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。

圖4：卫星的控制流程图（来自于新闻发布会手册截图）

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證和操作(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箌测试和验证。

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

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

苐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，每一個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洇素

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の前提高了几十倍，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，所以每一位忝文研究者都非常期望能够与它重新取得联系

如果失联卫星有哪些，不仅2.7亿美元的花费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一兩周，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，所以只要有一丝鈳能联系的希望，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瑺渺茫

当然，如果真的失联卫星有哪些人类很有可能再次发射一颗与“瞳”类似的卫星上天，继续它未尽的工作和使命

就像之前的ㄖ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“命途哆舛”：第一次，Astro-E卫星直接发射失败掉到了海里；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年後于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卫星有哪些，想要重新建立联系比找回一个赱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日媄国空军航天司令部（AF Space Command）正式承认已损失先前失联卫星有哪些的一颗气象卫星。早在2016年2月11日美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的地面操作囚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該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月发射防卫氣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。

当然吔有一些特殊情况人类通过种种尝试与先前失联卫星有哪些的太空“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)，咜在失联卫星有哪些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煋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，让自巳“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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作者： 中国科学院国家天文台黑洞來客团队 苟利军 黄月   [责任编辑: 宋金玉]