Angel型龙虾眼X射线光学器件的研制及性能测试

Angel型龙虾眼X射线光学器件是一种新型X射线聚焦成像器件,具有独特的4π立体角聚焦能力和最佳有效面积-重量比,是未来最具有运用前景的X射线成像光学系统之一。依据龙虾眼的结构特性,采用微通道板方孔阵列制作技术成功研制了龙虾眼光学器件。采用Zygo干涉仪、条纹反射面型仪以及X射线束流检测设备对龙虾眼光学器件球面成型精度和聚焦成像特性进行了测试。测试结果表明:微孔光学器件的球面面型精度均方根为0.72μm,峰谷值为2.27μm,曲率半径约为752.3 mm。在电压为2 kV,电流为50μA条件下,横轴和纵轴的焦斑半峰全宽的直径约为0.39 mm和0.42 mm,对应的成像角分辨率分别为3.65 arcmin和3.93 arcmin。

爱因斯坦探针：探索变幻多姿的X射线宇宙

爱因斯坦探针(Einstein Probe,EP)是一颗面向时域天文学的、发现型的X射线天文探测卫星,是中国科学院空间科学战略性先导专项十三五规划的空间科学卫星系列任务之一.展望未来十年,时域天文学将进入一个前所未有的、多波段和多信使的大视场监测的黄金时代.在软X射线窗口,灵敏且快速的全天监测为我们提供了一个难得的科学机遇.EP卫星将在这一能段窗口开展时域巡天监测,旨在发现和探索宇宙中的X射线暂现源和爆发天体,并发布预警以引导其他天文设备进行后随跟踪观测.EP的科学载荷包括一台宽视场软X射线监视器(3600平方度,0.5–4 keV)和一台后随观测X射线望远镜(0.3–8 keV).卫星具有快速机动反应能力以及暂现源警报的快速下传功能.由于采用了新颖的微孔龙虾眼X射线聚焦成像技术,其探测灵敏度和空间分辨率比目前在轨运行设备提高了1个数量级,将能监测更远、更大的宇宙空间范围.预期EP将在以下三方面做出贡献:高能暂现天体的系统性巡天监测,发现隐身的沉寂黑洞并测绘宇宙黑洞的分布、研究其形成演化和物质吸积过程,搜寻来自引力波事件的X射线信号并精确定位等.此外,EP的探测目标还将包括从中子星、白矮星、超新星、宇宙早期伽玛暴、X射线闪到恒星耀发等众多的天体和现象,涉及广泛的天体物理学分支.卫星计划于2022年底左右发射.运行寿命为3年,目标5年.

爱因斯坦探针：探索变幻多姿的X射线宇宙专题·编者按

每当我们仰望夜空，头顶灿烂而静谧的星空总能给人一种安宁、祥和的心灵抚慰．事实上，除了绝大多数看似永恒不变、周而复始的恒星之外，宇宙中还充满了另一类出没无常、忽隐忽现、来去匆匆的所谓的暂现天体，只是人眼一般难以察觉．

基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试

研制了一套结构简单、易于操作的条纹反射测量系统,用以测试Angel型龙虾眼X射线镜片的面型。通过电荷耦合器件(CCD)相机拍摄40 mm×40 mm口径的龙虾眼镜片的条纹反射图像,计算得到了龙虾眼镜片面型的斜率误差分布,并通过积分得到了龙虾眼镜片的面型误差均方根及峰谷值,分别为0.81μm和6.34μm。该结果与Zygo干涉仪得到的面型分布规律大体一致。基于条纹反射方法重复测量面型得到的均方根和峰谷值的标准差分别为0.017μm和0.11μm,验证了条纹反射方法测量龙虾眼镜片面型的可行性。利用蒙特卡罗方法对待测龙虾眼镜片的面型误差进行X射线聚焦成像模拟,得到面型误差引起的弥散十字焦斑的半峰全宽为0.23 mm,对应的角分辨率为2.11′。该光学测量系统的建立为龙虾眼镜片的球面热成形提供了参考依据。

Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性测试和分析

为了研究Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性对聚焦成像性能的影响,研发了一套点对点的真空X射线束流测试装置,采用微焦斑X射线束对研制的光学器件进行了聚焦成像测试。通过利用刀口狭缝系统对平面龙虾眼光学器件进行二维扫描测试,发现光学器件的不同区域存在不同程度的Tilt型工艺缺陷;基于蒙特卡罗软件模拟了Tilt工艺缺陷对聚焦成像的影响。实验结果表明:实验所采用的平面龙虾眼光学器件能在3650 mm焦距处将入射的X射线束会聚成清晰的十字图像,焦斑最大半峰全宽约为4.63 mm,对应的角分辨率最大约为4.36′,点扩展函数的不均匀性约为33.7%。模拟结果表明:Tilt型工艺缺陷会导致中心亮斑强度下降,十字线弥散、不连续,二次焦斑畸变,成像质量变差。

龙虾眼X射线光学器件有效面积模拟仿真及测试

龙虾眼X射线聚焦望远镜是未来X射线空间天文观测的重要设备之一,这种设备将成为在各种太阳风条件下研究地球空间环境的有力工具。针对龙虾眼型X射线微孔光学器件有效面积的设计与仿真工作,研究了结构参数与几何收集面积的关系,并基于菲涅耳公式计算了不同膜层材料和表面粗糙度对X射线反射率的影响。利用X射线束流测试设备并采用单光子采集模式完成了有效面积X射线的性能测试。结果表明,龙虾眼型光学器件的有效面积主要由膜层材料与内壁粗糙度共同决定,同时沉积Ir膜后在能量为1 keV的情况下有效面积能从2.15 cm^(2)增大至2.47 cm^(2)。

星系中心大质量黑洞及潮汐瓦解恒星事件

黑洞潮汐瓦解恒星事件(Tidal Disruption Events,TDE)是星系中心黑洞瓦解进入其潮汐瓦解半径内的恒星并吸积恒星碎片物质而产生的一种剧烈辐射耀发现象.TDE的能谱和光变特征中蕴含了中心黑洞和被瓦解的恒星的信息,为我们证实和普查宁静星系中的黑洞,研究其参数、吸积过程和喷流产生、以及核区星际介质等提供了可能.TDE还可能提供中等质量黑洞和双黑洞存在的证据.TDE的观测和理论已成为一个新开辟的天体物理研究领域,但目前的进展受制于探测到事件太少(尤其是在X射线波段),且观测数据普遍质量不高.TDE的发生率很低,要探测大样本的事例需要监测足够大的空间体积.爱因斯坦探针卫星(Einstein Probe,EP)覆盖了0.5–4 keV的软X射线波段(接近TDE耀发时的辐射峰值能段),具有大视场以及高灵敏度,非常利于对TDE的探测.预期爱因斯坦探针卫星每年可以发现约几十至上百例TDE,其中有约10例或更多具有相对论性喷流特征.这将使我们可以获得较为完备、具有统计意义的TDE的样本,为进一步研究黑洞的存在和统计性质、增长和演化、发现中等质量黑洞和大质量双黑洞等提供了新的途径.

引力波爆发事件的电磁对应体的探测

双黑洞并合产生的引力波信号由第二代地面激光干涉仪引力波探测器Advanced LIGO第一次直接探测到,开启了探索宇宙的一个崭新的窗口.伴随着Advanced LIGO科学运行期的继续运行,以及未来几年其他第二代探测器,例如Advanced Virgo,LIGO-India的陆续建设和投入使用,将有越来越多的引力波信号被探测到.最新的双中子星并合引力波事件的电磁对应体被探测到,极大地丰富了引力波天文学的科学内容,人类进入全新的多信使天文时代,例如:提高引力波源及其宿主星系空间位置精度估计,确定引力波源的红移、破除引力波模型中的简并参数,确定引力波事件前身天体的物理环境以及其产生的物理机制、测量宇宙学参数等等.由于引力波探测器的定位能力较差(Advanced LIGO~十至几百平方度),探测引力波事件电磁对应体对大视场高能观测设备提出了迫切需求.爱因斯坦探针具有大视场、高灵敏度、全天观测、快速指向能力和数据下传等方面的优势,特别是其大视场和高灵敏度,为引力波事件电磁对应体的探测提供了一个理想的观测平台.爱因斯坦探针的成功运行,将促进引力波天文学和引力波宇宙学的发展,并且使我国在引力波源的电磁波对应体研究方面处于国际领先的地位.