[科普中国]-全面解读日本X射线卫星“瞳”的失联

北京时间4月8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的新闻发布会，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”是日本的第八颗天文卫星，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……
发生了什么？
在JAXA的官方网站上提到，“瞳”这个名字从中国的成语故事——画龙点睛——中受到启发。眼睛是我们了解这个丰富多彩世界的窗口，而这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围广等特点，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时，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，卫星突然开始旋转，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，而美国的联合空间控制中心(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的两块，分别命名为2016-012A和2016-012L。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2016-012L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一些部件的解体。
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本来想利用随后卫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，仅仅只接收到过总共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日分别两次，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？
通过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，预计它们会大约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，不留任何痕迹。
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的卫星造成损害，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（来自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”主要由两部分构成。
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 5-80 keV)。
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射线成像仪(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，还有一个软伽马射线探测器（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。因为它带有一个叫做微测热仪(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，微测热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、精细能谱观测时代。
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，这和我们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温度的变化，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年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，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，导致卫星转动，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)

在所有的观测设备中，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卫星（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，而且因为连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
作为日本的第八颗天文卫星，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。

图4：卫星的控制流程图（来自于新闻发布会手册截图）

1.第一程：
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证和操作(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，需要首先得到测试和验证。
2.第二程：
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。
3.第三程：
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。
4.第四程：
第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，每一个阶段都至关重要。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因素。

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之前提高了几十倍，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，所以每一位天文研究者都非常期望能够与它重新取得联系
如果失联，不仅2.7亿美元的花费就打了水漂，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，也许是一两周，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，只要有一丝可能联系的希望，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常渺茫。
当然，如果真的失联，人类很有可能再次发射一颗与“瞳”类似的卫星上天，继续它未竟的工作和使命。
就像之前的日本的上一颗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“命途多舛”：第一次，Astro-E卫星直接发射失败（因为发射失败，所以也没有别名），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年后，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，想要重新建立联系，比找回一个走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，美国空军航天司令部（AF Space Command）正式承认已损失先前失联的一颗气象卫星。早在2016年2月11日，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的地面操作人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该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。防卫气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。
当然也有一些特殊情况，人类通过种种尝试与先前失联的太空“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)，它在失联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星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，让自己“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”。