宇宙嬰兒時期的模樣是什么樣的？恒星如何塌縮形成黑洞或中子星？科學(xué)家最新的發(fā)現(xiàn)離這些謎題的答案更近一步。
4月24日，“中國航天日”主場活動在上海舉行，中法聯(lián)合研制的中法天文衛(wèi)星（下稱“SVOM”）正式發(fā)布首批科學(xué)成果。在這些成果中，最引人注目的是一例來自130億年前的伽馬暴（GRB250314A），紅移高達7.3，來自宇宙誕生僅7.3億年的極早期。
“這些發(fā)現(xiàn)不僅驗證了衛(wèi)星的卓越性能，更重要的是為研究宇宙早期恒星形成、黑洞誕生、致密天體并合等前沿課題提供了全新視角。特別是紅移7.3的伽馬暴，就像一扇時空之窗，讓我們得以窺見宇宙嬰兒時期的模樣?！盨VOM中方首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺研究員魏建彥對第一財經(jīng)解釋，宇宙的誕生通常認為是137億~138億年前，所以宇宙爆發(fā)以后的7.3億年左右的嬰兒時期（130億年前），宇宙誕生的第一代恒星有一次死亡的過程。
“這次發(fā)現(xiàn)的伽馬暴其光線在宇宙中傳播了約130億年才被SVOM捕獲，這一發(fā)現(xiàn)打破了保持近12年的國際紀錄?！蔽航◤┱f。
而探究這些伽馬射線暴和實際生活有何關(guān)聯(lián)？魏建彥對記者舉例，大家都知道元素周期表，地球上的各種元素是從哪兒來的，大家戴的金銀、鉆石首飾從哪來，為什么稀土元素中國的優(yōu)勢明顯……這些都需要天文學(xué)支撐。“天文學(xué)家有個分配表，地球的元素有多少，大致來自哪些天文現(xiàn)象，這些問題都有初步的概念了。這在以前是難以想象的?！?/p>
從恒星死亡到元素周期表
SVOM的主要研究對象是來自宇宙深處的伽馬射線爆發(fā)，即伽馬射線暴（下稱“伽馬暴”），伽馬暴是迄今已知的在宇宙大爆炸后最猛烈的天文現(xiàn)象，首次發(fā)現(xiàn)于20世紀60年代。伽馬暴短至幾毫秒，長達數(shù)千秒，短時間釋放的能量超過太陽在其一生輻射能量的總和。伽馬暴的觀測研究是天文前沿領(lǐng)域，伽馬暴是如何產(chǎn)生的？為何能釋放如此多的能量？至今仍是個謎。
美國雨燕（SWIFT）衛(wèi)星于2004年發(fā)射后，揭開了宇宙伽馬暴探測的新時代，同時也留下了諸多未解之謎。近年來，伽馬暴探測不斷取得重大突破——2017年8月17日，在一個由兩顆中子星合并爆炸產(chǎn)生的伽馬暴之前觀測到伴隨產(chǎn)生的引力波，這是人類首次在電磁波和引力波窗口同時觀測宇宙天體，開啟了多信使天文學(xué)的新時代。2022年10月9日，一個史上最亮伽馬暴被觀測到，它比以往觀測到的人類看到的任何伽馬暴，還要亮50倍。
于2024年6月22號由長征二號丙（CZ-2C）運載火箭在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射的SVOM，是繼美國SWIFT任務(wù)之后最重要的伽馬暴多波段探測項目。在軌飛行10個月來，SVOM已順利完成了衛(wèi)星平臺、科學(xué)儀器的在軌測試任務(wù)。迄今已探測到了超過100例伽馬暴，發(fā)現(xiàn)了多例特殊類型伽馬暴，創(chuàng)下了短時標伽馬暴的最遠觀測紀錄。通過星地聯(lián)合觀測，有22例伽馬暴成功獲取了光譜紅移。
何謂紅移，魏建彥舉例，就像多普勒效應(yīng)，“大家在高中物理課中知道，火車如果迎著你來，鳴笛聲就會變尖，一旦它離開，聲音又會變長，宇宙也同理，它離得越遠，相互離開的速度越快，連光都會變更紅”。
不過，伽馬暴觀測就像一場接力賽，需要全球空間、地面觀測設(shè)備的參與，環(huán)環(huán)相扣，鏈路中的任何一個節(jié)點造成了信息延遲，后續(xù)的觀測設(shè)備很難發(fā)揮作用。
SVOM總指揮、中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長張永合參與了整個天地聯(lián)合系統(tǒng)全階段的研發(fā)，持續(xù)近20年，他表示：“我們的目標不僅僅是研制一顆高性能伽馬暴觀測衛(wèi)星，而是構(gòu)建一套復(fù)雜、快速而便捷的伽馬暴觀測系統(tǒng)，讓科學(xué)家在喝一杯咖啡的工夫，就能向SVOM傳送一次觀測指令，獲得觀測結(jié)果，這樣才能不錯失任何一個可能蘊含科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機會?！?/p>
張永合說：“伽馬暴就像是宇宙里釋放的一處煙花。恒星它在死亡的時候或者轉(zhuǎn)化為黑洞的時候，能夠釋放出巨大的能量?！?/p>
由于SVOM搭載了中方的伽馬射線監(jiān)視器（GRM）、光學(xué)望遠鏡（VT）和法方的硬X射線相機（Eclairs）、軟X射線望遠鏡（MXT），具備大視場伽馬暴探測和高精度X射線、可見光后隨觀測能力。衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運行10個月來表現(xiàn)優(yōu)異，展現(xiàn)出多波段覆蓋、自主快速響應(yīng)、精準高穩(wěn)觀測、全球天地協(xié)同四大核心能力。
魏建彥解釋，SVOM可獲得伽馬暴從伽馬射線到X射線、可見光及近紅外的寬波段信號。觀測系統(tǒng)不僅包含星載科學(xué)載荷的多波段探測能力，還包含地面寬視場相機陣列、快速跟蹤望遠鏡等觀測設(shè)備的多波段協(xié)同和后隨觀測能力，因此，中法天文衛(wèi)星觀測系統(tǒng)是迄今為止全球?qū)ゑR暴開展多波段綜合觀測能力最強的衛(wèi)星系統(tǒng)。
而且，SVOM衛(wèi)星系統(tǒng)能通過法國的甚高頻網(wǎng)絡(luò)（VHF）和中國的北斗短報文系統(tǒng)實現(xiàn)伽馬暴警報近實時下傳，快速觸發(fā)全球地面望遠鏡及空間其他天文觀測設(shè)備，還可以通過北斗短報文系統(tǒng)快速跟隨其他重要天文事件的觀測，任務(wù)響應(yīng)延遲在10分鐘左右。
中法20年研發(fā)合作
中法天文衛(wèi)星項目是中法兩國政府間重要航天合作項目，由中國國家航天局和法國國家空間研究中心聯(lián)合立項，中國科學(xué)院與法國國家空間研究中心聯(lián)合開展工程實施。項目自2005年啟動論證，2024年成功發(fā)射，歷經(jīng)20年研發(fā)歷程。
在2005年啟動論證后，2006年10月，中法兩國簽署了《中國國家航天局與法國國家空間研究中心關(guān)于合作實施中法天文衛(wèi)星的諒解備忘錄》，確定了中法天文衛(wèi)星任務(wù)的科學(xué)目標、研究內(nèi)容、合作方式、雙方的權(quán)利和義務(wù)、時間進度等。
2014年，兩國又完成了新一輪諒解備忘錄修訂、簽署，明確了后續(xù)研制進度。之后，項目進入工程研制階段，2024年1月完成衛(wèi)星出廠，2024年6月完成衛(wèi)星發(fā)射與天地聯(lián)合觀測系統(tǒng)運行。2024年9月、2025年1月中法雙方分別在圖盧茲、北京召開衛(wèi)星在軌測試評估與在軌驗證評審。
中法天文衛(wèi)星在中法建交60周年成功發(fā)射，是中法兩國在歷史長河中，再次攜手向太空中放飛探索宇宙奧秘的科技“風(fēng)箏”，對宇宙中能量最強的伽馬射線暴進行探測并精確定位，引導(dǎo)全球觀測設(shè)備開展后隨觀測，也是對人類探索浩瀚宇宙的貢獻。
在衛(wèi)星工程實施方面，采用了歐洲航天工程中常用的階段劃分、文檔體系、風(fēng)險控制、人員分工等管理模式。中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負責(zé)抓總系統(tǒng)設(shè)計與衛(wèi)星系統(tǒng)研制，高能物理研究所、西安光學(xué)精密機械研究所負責(zé)中方科學(xué)載荷研制，國家空間科學(xué)中心負責(zé)總體技術(shù)支撐和中方地面支撐系統(tǒng)的建設(shè)，國家天文臺負責(zé)中方科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)研制建設(shè)。法方地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)由法國國家空間研究中心負責(zé)建設(shè)和運行。
就在中國航天日前一天的4月23日，中法天文衛(wèi)星交付使用儀式在上海張江舉行，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院將中法天文衛(wèi)星正式交付給中國科學(xué)院國家天文臺投入使用。
根據(jù)計劃，SVOM預(yù)計將在軌工作至少3年，繼續(xù)搜尋宇宙中的高能爆發(fā)現(xiàn)象。雖然預(yù)期是3~5年，但是衛(wèi)星可能運行更長時間。
魏建彥也表示，就和人一樣，活得越長經(jīng)驗越多見識也更廣，希望衛(wèi)星能正常工作10～20年。
“我們期待能夠揭示第一代恒星的形成與死亡過程，研究黑洞誕生機制，發(fā)現(xiàn)引力波事件的電磁對應(yīng)體，完善宇宙早期演化理論。”SVOM法方首席科學(xué)家貝特朗·科爾迪耶說。
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