悦智网报道：
亘古以来，每当人们凝望星空，都无不为宇宙的深邃和宁静所打动。但如果进行更细致和更持久的观测，就会注意到，除了由于地球大气扰动所导致的闪烁，实际上有很多天体都存在或快或慢、或细微或显著的亮度变化。在古代，中国人最早识破了宇宙星空“宁静不变”的表象，并监测和记录下大量新星、超新星等突发天象。
自20世纪60年代起，也就是X射线被发现60余年后，天文学家为火箭和卫星装配上X射线的“天眼”，开始以一种全新的方式观测宇宙。而X射线所揭示的宇宙与肉眼所见大相径庭，它动态万千，甚至可以说有些狂暴。在X射线的“天眼”所视之处，星空瞬息万变，大多数天体呈现着复杂的亮度变化，而一些原本暗弱到难以探测的天体，时常会因倏然增亮而暴露于观测视野之中，有些很快又会再次消隐不见。这是因为，X射线作为能量很高的光子，通常产生于一些极端的物理环境之中，如超高温、强磁场、强引力场、相对论性的高速物质运动等，而这些物理环境正因为极端，也往往非常不稳定，有些甚至只短暂存在于爆发性或爆炸性的天文现象当中。
但长久以来，在通过X射线揭示宇宙的动态变化方面，天文学家也受到一些技术限制。天体发出的X射线光子相对稀少，用于聚焦X射线以提高探测灵敏度的传统技术——X射线望远镜不仅笨重和昂贵，而且视场很小，一次只能观测很小的天区及少量天体，无疑会错失大量的X射线天体光变、暂现源、爆发现象等。若是采用非聚焦的观测技术来实现对大面积天区的监测，灵敏度又受限于背景噪声，只能探测到少数明亮的天体。
不过，中国科学院拟着手研制一颗X射线天文卫星，力求在不久的将来帮助人类突破这些技术限制。提议这颗卫星的中国天文学家将其暂时命名为爱因斯坦探针（Einstein Probe，EP，http://ep.bao.ac.cn/），这一方面是向科学巨人致敬，另一方面也寄寓着对其科学发现能力的巨大期望。EP将采用一种新颖的X射线聚焦成像技术，面向2020年代的时域天文学和高能天体物理学，实现对X射线动态宇宙的首次全面、快速、深入的全天区监测。
天文学是一门观测技术驱动的科学，每一次探测技术的重大突破都会带来大批的科学发现，进而大大推动学科的发展。历史上与天文相关的诺贝尔物理学奖，很多被授予建立在技术革命之上的重大天文发现，如射电技术与脉冲星、微波背景辐射、脉冲双星等，又如X射线天文的创立本身，而最近一次获奖的宇宙暗能量发现，也应归功于伴随电荷耦合器件（CCD）相机而来的现代超新星巡天。
作为一颗发现型的小型科学卫星，EP将首次运用一种全新的探测技术——龙虾眼微孔光学技术，实现X射线聚焦成像的大视场全天监测。龙虾眼望远镜是通过仿生一些甲壳纲动物的眼睛结构和成像原理而发明的，相比传统技术X射线望远镜，具有超大视场和轻量化的优势。如图1所示，龙虾眼由密布在一个球面上的大量微小方孔所组成，来自远处观测目标的光线进入微孔后，在两个不同方向的孔壁上各反射一次，就可以会聚在后方的一个球面上实现成像。当然，大自然中的龙虾眼所看到的是可见光。对于X射线，只有当入射光线与孔壁的夹角非常小时才能实现反射，正是这种掠射条件限制了传统技术X射线望远镜的视场。而龙虾眼X射线望远镜在理想情形下没有所谓的光轴，全体微孔沿着球面覆盖排列，对于来自任一方向的光线，总能找到满足掠射条件的微孔，因此可以对非常大视场内的观测目标全都实现聚焦成像。
在探测方法上，传统的高能（X射线或伽马射线）大视场监测均采用非聚焦技术，如伽马暴监测卫星Swift上的编码板，又如国际空间站上全天监视器MAXI的准直器，探测效率严重受限。而龙虾眼微孔光学这一新技术的运用将大幅提高大视场监测的灵敏度和空间分辨率，有能力发现更暗弱、更遥远、更稀有甚至未知类型的高能暂现天体。将龙虾眼微孔光学技术应用于X 射线全天监视也是国际时域天文学的一个共识，但由于近10年欧美空间科学受经费削减等因素的影响，相关卫星提案一直未能立项，这恰恰为中国提供了一个宝贵的机遇。抓住机遇，中国将能在天体物理领域快速达到国际领先水平，占领学术制高点。
根据模拟估计，EP卫星的探测灵敏度比现有的高能大视场监测设备（Swift、MAXI）深一个数量级，监测的视野（监测的空间体积范围）大两个数量级，如图2所示。EP也将是首次在软X射线（能量在1千电子伏以下的高能光子）波段开展全天监测，具有发现前所未知的暂现源类型的能力，将为时域天文学的多波段、多媒介的黄金时期（2020年代）填补在软X射线波段的空白。
拥有前所未有的探测能力，EP有望取得哪些重要或突破性的科学发现呢?
黑洞是广义相对论的伟大预言。黑洞本身不发光，但周边物质在盘旋落入的过程中，损失的引力能会以电磁辐射的形式释放，因下落中的高速及高温，辐射主体往往是X射线。X射线天文起步之初，就在对X射线双星的观测中找到了恒星级质量黑洞存在的证据。而对一类特殊的星系——活动星系，普遍认为核区观测到的剧烈活动性源于超大质量黑洞与下落物质的相互作用。银河系的核区虽然宁静，但大量证据表明很可能也存在超大质量黑洞，只是下落物质匮乏。那么，是否大部分甚至所有星系都与超大质量黑洞为伴呢?黑洞与星系又如何相生相长呢?考虑星系中央偶尔会有恒星因太过靠近而陷入黑洞的引力场，为巨大的潮汐力撕裂后被吞噬，短时间内释放大量辐射，包括X射线。通过对“潮汐瓦解事件”的系统性搜寻，EP将成批揪出暗藏于星系中的“沉寂”的超大质量黑洞，解决黑洞存在于何处以及物质如何落入黑洞等问题。
2016年春，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）项目宣布首次探测到引力波事件，随即成为整个世界在相当长一段时间内的全民关注点，但这次探测也存在很大的遗憾——因为引力波探测器的定位能力欠缺，无法确证事件的对应天体，更不要说更全面、深入的观测研究。不过值得庆幸的是，理论上预言，一些重要的引力波事件（如两颗中子星的旋近并合），应该同时伴随有突发性的电磁辐射（即光波），很可能在X射线波段表现为一颗很亮的天文暂现源。EP通过快速的、瞬时大视场的全天巡天，将对引力波探测所对应的大面积天区作准实时的监测，具备及时捕获引力波事件电磁对应体的能力，可实现优于角分的定位精度，并能将定位信息播报给其他波段的大型天文观测设备。即使没有探测到电磁辐射，也将对引力波源的起源和电磁波辐射的物理机制作出强的限制。在国际上冲击这一科学目标的多波段的大视场监视设备中，EP是最具竞争力的设备之一，有望对引力波天文学的开创以及对爱因斯坦广义相对论的验证作出重大贡献。
更重要的是，通过EP的软X射线时域巡天监测，在新窗口中发现大量更遥远、更暗弱的宇宙暂现和爆发天体，将为天文学家提供一个数据宝库。首先，EP是最有希望成批探测到来自宇宙极早期的高红移伽马暴的设备，对早期宇宙的研究意义重大。又如，大质量恒星在核燃料消耗殆尽之时会发生超新星爆发，EP可以捕捉到其爆发初始最明亮的瞬间。再如，EP可以记录到某些恒星比太阳耀斑强上千或上万倍的巨大耀发，不难想象此类事件对于系外行星将是何等的灾难。最后，在对全天作积年累月的、高频度的、高灵敏度的重复观测之后，EP还将为各种类型的天体积累海量的X射线波段的亮度变化数据，从而大力推动人类对整个动态宇宙的研究和认识，加深对一些极端条件物理过程的理解。
EP卫星尽管采用新颖先进的有效科学载荷技术（龙虾眼微孔光学），但对卫星平台的技术指标要求并不算高，只需基于中国现有的卫星平台做相应的适应性改造就可以满足。设计中的EP卫星重量约450公斤，其中约150公斤是从事X射线天文观测的有效载荷。卫星拟选用高度约600千米的近地圆轨道，轨道面相对地球赤道的倾角约30度或者更低。卫星的设计运行寿命至少要求3年，预期不出意外的话实际应能正常运行5年以上。
从工作方式上看，EP卫星也可被视为一台全自动的空间机器人，通过发现-跟踪的观测模式来揭示高能物理宇宙所隐藏的秘密。如图3所示，卫星的科学载荷由宽视场X射线望远镜（WXT）和后随X射线望远镜（FXT）组成，观测方向与卫星平台自身的方位指向保持固定。正常工作时，卫星平台携带主载荷WXT开展常规的夜天空监测，每天对全部可观测天区作数次覆盖性的巡查。一旦发现X射线暂现源或爆发源，星上实时确定该源的天球位置信息，卫星平台立即对指向作机动，迅速将FXT指向该源进行后随观测。FXT的观测视场小，但相比WXT具有更高的探测灵敏度。与此同时，EP卫星也会在第一时间向地面发布突发天文事件预警，引导国内外的下一代大型天文观测设备（如三十米望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜、平方公里阵列射电望远镜等）在其他波段开展深度观测，以期获得更多更好的科学产出。
为突破和彻底掌握龙虾眼微孔光学技术，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项“空间科学背景型号项目”（第二批）的支持下，国家天文台开展并完成了WXT的光学组件原理样机的研制工作（如图4所示），通过了国内专家的评审，也得到了国外技术权威的充分认可。这是中国首次实现龙虾眼X射线望远镜的光学组件样机，是EP卫星研制过程中的关键性进展。EP卫星还计划采用多片高性能的国产互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器组成WXT的焦面阵列，其不仅规模巨大，也有望在国际上成为CMOS探测器在空间的首例天文观测应用，具有重大的意义。
为将EP卫星推上国际舞台，接受国际科学界的评议和检阅，中国科学院在2014年专门围绕EP卫星举办了一次时域天体物理重要科学问题的国际论坛。与会的国际时域天文领域和高能天体物理领域的权威专家均给予了EP卫星高度评价和广泛关注，认为其拥有重要的科学意义和创新性，将在暂现源和天体时变监测研究方面开辟一个新的发现空间，并产生重要的推动作用。让我们期待着EP卫星上天工作，为人类揭示动态宇宙诸多秘密的那一天尽早到来吧！
作者：袁为民、邓劲松、张臣
（袁为民，爱因斯坦探针项目首席科学家，中国科学院国家天文台空间科学研究部高能天体物理研究团组首席研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗位教授，长期从事空间X 射线天文、高能天体物理领域的研究；研究兴趣包括黑洞、活动星系和 X 射线暂现天体；邓劲松，理学博士，爱因斯坦探针项目成员，中国科学院国家天文台空间科学研究部研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗位教授；张臣，理学博士，爱因斯坦探针项目工程技术负责人，中科院国家天文台空间科学部青年研究员，中科院青年创新促进会优秀会员。）
亘古以来，每当人们凝望星空，都无不为宇宙的深邃和宁静所打动。但如果进行更细致和更持久的观测，就会注意到，除了由于地球大气扰动所导致的闪烁，实际上有很多天体都存在或快或慢、或细微或显著的亮度变化。在古代，中国人最早识破了宇宙星空“宁静不变”的表象，并监测和记录下大量新星、超新星等突发天象。
自20世纪60年代起，也就是X射线被发现60余年后，天文学家为火箭和卫星装配上X射线的“天眼”，开始以一种全新的方式观测宇宙。而X射线所揭示的宇宙与肉眼所见大相径庭，它动态万千，甚至可以说有些狂暴。在X射线的“天眼”所视之处，星空瞬息万变，大多数天体呈现着复杂的亮度变化，而一些原本暗弱到难以探测的天体，时常会因倏然增亮而暴露于观测视野之中，有些很快又会再次消隐不见。这是因为，X射线作为能量很高的光子，通常产生于一些极端的物理环境之中，如超高温、强磁场、强引力场、相对论性的高速物质运动等，而这些物理环境正因为极端，也往往非常不稳定，有些甚至只短暂存在于爆发性或爆炸性的天文现象当中。
但长久以来，在通过X射线揭示宇宙的动态变化方面，天文学家也受到一些技术限制。天体发出的X射线光子相对稀少，用于聚焦X射线以提高探测灵敏度的传统技术——X射线望远镜不仅笨重和昂贵，而且视场很小，一次只能观测很小的天区及少量天体，无疑会错失大量的X射线天体光变、暂现源、爆发现象等。若是采用非聚焦的观测技术来实现对大面积天区的监测，灵敏度又受限于背景噪声，只能探测到少数明亮的天体。
不过，中国科学院拟着手研制一颗X射线天文卫星，力求在不久的将来帮助人类突破这些技术限制。提议这颗卫星的中国天文学家将其暂时命名为爱因斯坦探针（Einstein Probe，EP，http://ep.bao.ac.cn/），这一方面是向科学巨人致敬，另一方面也寄寓着对其科学发现能力的巨大期望。EP将采用一种新颖的X射线聚焦成像技术，面向2020年代的时域天文学和高能天体物理学，实现对X射线动态宇宙的首次全面、快速、深入的全天区监测。
天文学是一门观测技术驱动的科学，每一次探测技术的重大突破都会带来大批的科学发现，进而大大推动学科的发展。历史上与天文相关的诺贝尔物理学奖，很多被授予建立在技术革命之上的重大天文发现，如射电技术与脉冲星、微波背景辐射、脉冲双星等，又如X射线天文的创立本身，而最近一次获奖的宇宙暗能量发现，也应归功于伴随电荷耦合器件（CCD）相机而来的现代超新星巡天。
作为一颗发现型的小型科学卫星，EP将首次运用一种全新的探测技术——龙虾眼微孔光学技术，实现X射线聚焦成像的大视场全天监测。龙虾眼望远镜是通过仿生一些甲壳纲动物的眼睛结构和成像原理而发明的，相比传统技术X射线望远镜，具有超大视场和轻量化的优势。如图1所示，龙虾眼由密布在一个球面上的大量微小方孔所组成，来自远处观测目标的光线进入微孔后，在两个不同方向的孔壁上各反射一次，就可以会聚在后方的一个球面上实现成像。当然，大自然中的龙虾眼所看到的是可见光。对于X射线，只有当入射光线与孔壁的夹角非常小时才能实现反射，正是这种掠射条件限制了传统技术X射线望远镜的视场。而龙虾眼X射线望远镜在理想情形下没有所谓的光轴，全体微孔沿着球面覆盖排列，对于来自任一方向的光线，总能找到满足掠射条件的微孔，因此可以对非常大视场内的观测目标全都实现聚焦成像。
在探测方法上，传统的高能（X射线或伽马射线）大视场监测均采用非聚焦技术，如伽马暴监测卫星Swift上的编码板，又如国际空间站上全天监视器MAXI的准直器，探测效率严重受限。而龙虾眼微孔光学这一新技术的运用将大幅提高大视场监测的灵敏度和空间分辨率，有能力发现更暗弱、更遥远、更稀有甚至未知类型的高能暂现天体。将龙虾眼微孔光学技术应用于X 射线全天监视也是国际时域天文学的一个共识，但由于近10年欧美空间科学受经费削减等因素的影响，相关卫星提案一直未能立项，这恰恰为中国提供了一个宝贵的机遇。抓住机遇，中国将能在天体物理领域快速达到国际领先水平，占领学术制高点。
根据模拟估计，EP卫星的探测灵敏度比现有的高能大视场监测设备（Swift、MAXI）深一个数量级，监测的视野（监测的空间体积范围）大两个数量级，如图2所示。EP也将是首次在软X射线（能量在1千电子伏以下的高能光子）波段开展全天监测，具有发现前所未知的暂现源类型的能力，将为时域天文学的多波段、多媒介的黄金时期（2020年代）填补在软X射线波段的空白。
拥有前所未有的探测能力，EP有望取得哪些重要或突破性的科学发现呢?
黑洞是广义相对论的伟大预言。黑洞本身不发光，但周边物质在盘旋落入的过程中，损失的引力能会以电磁辐射的形式释放，因下落中的高速及高温，辐射主体往往是X射线。X射线天文起步之初，就在对X射线双星的观测中找到了恒星级质量黑洞存在的证据。而对一类特殊的星系——活动星系，普遍认为核区观测到的剧烈活动性源于超大质量黑洞与下落物质的相互作用。银河系的核区虽然宁静，但大量证据表明很可能也存在超大质量黑洞，只是下落物质匮乏。那么，是否大部分甚至所有星系都与超大质量黑洞为伴呢?黑洞与星系又如何相生相长呢?考虑星系中央偶尔会有恒星因太过靠近而陷入黑洞的引力场，为巨大的潮汐力撕裂后被吞噬，短时间内释放大量辐射，包括X射线。通过对“潮汐瓦解事件”的系统性搜寻，EP将成批揪出暗藏于星系中的“沉寂”的超大质量黑洞，解决黑洞存在于何处以及物质如何落入黑洞等问题。
2016年春，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）项目宣布首次探测到引力波事件，随即成为整个世界在相当长一段时间内的全民关注点，但这次探测也存在很大的遗憾——因为引力波探测器的定位能力欠缺，无法确证事件的对应天体，更不要说更全面、深入的观测研究。不过值得庆幸的是，理论上预言，一些重要的引力波事件（如两颗中子星的旋近并合），应该同时伴随有突发性的电磁辐射（即光波），很可能在X射线波段表现为一颗很亮的天文暂现源。EP通过快速的、瞬时大视场的全天巡天，将对引力波探测所对应的大面积天区作准实时的监测，具备及时捕获引力波事件电磁对应体的能力，可实现优于角分的定位精度，并能将定位信息播报给其他波段的大型天文观测设备。即使没有探测到电磁辐射，也将对引力波源的起源和电磁波辐射的物理机制作出强的限制。在国际上冲击这一科学目标的多波段的大视场监视设备中，EP是最具竞争力的设备之一，有望对引力波天文学的开创以及对爱因斯坦广义相对论的验证作出重大贡献。
更重要的是，通过EP的软X射线时域巡天监测，在新窗口中发现大量更遥远、更暗弱的宇宙暂现和爆发天体，将为天文学家提供一个数据宝库。首先，EP是最有希望成批探测到来自宇宙极早期的高红移伽马暴的设备，对早期宇宙的研究意义重大。又如，大质量恒星在核燃料消耗殆尽之时会发生超新星爆发，EP可以捕捉到其爆发初始最明亮的瞬间。再如，EP可以记录到某些恒星比太阳耀斑强上千或上万倍的巨大耀发，不难想象此类事件对于系外行星将是何等的灾难。最后，在对全天作积年累月的、高频度的、高灵敏度的重复观测之后，EP还将为各种类型的天体积累海量的X射线波段的亮度变化数据，从而大力推动人类对整个动态宇宙的研究和认识，加深对一些极端条件物理过程的理解。
EP卫星尽管采用新颖先进的有效科学载荷技术（龙虾眼微孔光学），但对卫星平台的技术指标要求并不算高，只需基于中国现有的卫星平台做相应的适应性改造就可以满足。设计中的EP卫星重量约450公斤，其中约150公斤是从事X射线天文观测的有效载荷。卫星拟选用高度约600千米的近地圆轨道，轨道面相对地球赤道的倾角约30度或者更低。卫星的设计运行寿命至少要求3年，预期不出意外的话实际应能正常运行5年以上。
从工作方式上看，EP卫星也可被视为一台全自动的空间机器人，通过发现-跟踪的观测模式来揭示高能物理宇宙所隐藏的秘密。如图3所示，卫星的科学载荷由宽视场X射线望远镜（WXT）和后随X射线望远镜（FXT）组成，观测方向与卫星平台自身的方位指向保持固定。正常工作时，卫星平台携带主载荷WXT开展常规的夜天空监测，每天对全部可观测天区作数次覆盖性的巡查。一旦发现X射线暂现源或爆发源，星上实时确定该源的天球位置信息，卫星平台立即对指向作机动，迅速将FXT指向该源进行后随观测。FXT的观测视场小，但相比WXT具有更高的探测灵敏度。与此同时，EP卫星也会在第一时间向地面发布突发天文事件预警，引导国内外的下一代大型天文观测设备（如三十米望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜、平方公里阵列射电望远镜等）在其他波段开展深度观测，以期获得更多更好的科学产出。
为突破和彻底掌握龙虾眼微孔光学技术，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项“空间科学背景型号项目”（第二批）的支持下，国家天文台开展并完成了WXT的光学组件原理样机的研制工作（如图4所示），通过了国内专家的评审，也得到了国外技术权威的充分认可。这是中国首次实现龙虾眼X射线望远镜的光学组件样机，是EP卫星研制过程中的关键性进展。EP卫星还计划采用多片高性能的国产互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器组成WXT的焦面阵列，其不仅规模巨大，也有望在国际上成为CMOS探测器在空间的首例天文观测应用，具有重大的意义。
为将EP卫星推上国际舞台，接受国际科学界的评议和检阅，中国科学院在2014年专门围绕EP卫星举办了一次时域天体物理重要科学问题的国际论坛。与会的国际时域天文领域和高能天体物理领域的权威专家均给予了EP卫星高度评价和广泛关注，认为其拥有重要的科学意义和创新性，将在暂现源和天体时变监测研究方面开辟一个新的发现空间，并产生重要的推动作用。让我们期待着EP卫星上天工作，为人类揭示动态宇宙诸多秘密的那一天尽早到来吧！
作者：袁为民、邓劲松、张臣
（袁为民，爱因斯坦探针项目首席科学家，中国科学院国家天文台空间科学研究部高能天体物理研究团组首席研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗位教授，长期从事空间X 射线天文、高能天体物理领域的研究；研究兴趣包括黑洞、活动星系和 X 射线暂现天体；邓劲松，理学博士，爱因斯坦探针项目成员，中国科学院国家天文台空间科学研究部研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗位教授；张臣，理学博士，爱因斯坦探针项目工程技术负责人，中科院国家天文台空间科学部青年研究员，中科院青年创新促进会优秀会员。）
