科学研究 - 探索宇宙的奥秘，X射线卫星“XRISM”发射成功

9月7日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在种子岛航天中心（鹿儿岛）使用大型火箭“H2A”发射了用来捕捉因高能量而激烈变化宇宙现象的X射线天文卫星“XRISM”。该卫星是2016年因操作失误而丧失的“瞳”卫星的替代卫星，获得了欧洲等的协助，是日美共同计划的一环。通过测量吹向宇宙空间的高温气体“等离子体”的成分和运动轨迹，有望阐明拥有100个以上银河的“银河团”的形成以及各种元素的诞生等。

X射线卫星“XRISM”的示意图（供图：JAXA）

“担负物理学广泛发展的重要环节”

古代人类用肉眼仰望星空，17世纪初首次用望远镜捕捉天体，由此利用可见光进行的天文观测持续至今。到了20世纪，人类又利用无线电波、X射线、伽马射线和红外线等可见光以外的各种电磁波，发挥它们各自的特性来捕捉太空中的天体和现象。

X射线波长约为0.01～1纳米（一纳米等于十亿分之一米），是比可见光要短的电磁波之一。它们善于捕捉银河团或质量大的恒星发生大爆炸后留下的超高密度恒星“中子星”，以及密度高得连光都无法逃脱的黑洞等伴随着高能进行炽热剧烈活动的天体和现象。X射线会被地球大气层阻挡，所以要进行观测就需要向太空发射人造卫星。XRISM 团队表示，XRISM 是“一个向全世界开放的通用X射线天文台，它将促进在多个领域的天体物理，并成为担负2020年代物理学广泛发展的重要环节”。

XRISM的观测设备。安装了两个望远镜，配有相机和光谱仪（微量热仪）（供图：JAXA）

XRISM卫星长约8米，打开太阳能电池板后宽约9米，包括燃料在内重约 2.3吨。作为观测设备，在美国研制的两台收集X射线的望远镜上各安装了一种传感器，包括一台由日本制造的宽视野X射线照相机和一台由日本、美国和欧洲联合开发，可以详细测量X射线能量的光谱仪。使用这些仪器可高精度地捕捉等离子体中所含的元素和等离子体的运动。这些观测仪器的性能与之前丧失的“瞳”号上搭载的相同。

相机的视野为世界最大的38分角四方，比满月还要宽。虽然这与我们日常使用的照相机相比并不算什么，但在X射线天文卫星领域，它是继“瞳”号之后有史以来最大的。

“XRISM”的项目经理前岛弘则在7月份的新闻发布会上说：“我们一直在研究如何做才能切实恢复到与瞳号卫星相同的水准。‘XRISM’装载了非常具有挑战性的设备。如果它能按地面测试的结果那样运行的话，就能得到非常好的成果。希望它能够切实工作”。

9月7日上午，通过H2A第47号火箭，“XRISM”与月球着陆器“SLIM”一起成功升空。在约96分钟内的时间里绕行高度约550公里的圆形轨道一周。设计寿命为3年，届时用于冷却摄谱仪的液氦将耗尽。不过，之后也可以使用冷冻机继续进行观测。开发费用中，日本承担的部分包括100亿日元规模的发射费用在内，约为277亿日元。“XRISM”的名字是“X-ray Imaging and Spectroscopy Mission （X射线成像与光谱学任务）”的首字母缩写，JAXA 将其译作“X射线光谱成像卫星”。

有望解开银河团的形成、元素的诞生等多个谜团

XRISM承担的主要研究主题包括从银河团的形成到各种元素的诞生等多种现象。

银河团“MACS J0416”。由X射线与可见光、无线电波观测图像所组合而成（供图：美国国家航空航天局（NASA）、美国国家射电天文台）

银河团直径达数千万光年，是宇宙中最大的天体。其中看似没有星系的空旷区域充满了只能通过X射线探测到的高温等离子体。此外，还有一种将其阻挡在银河团区域内的不明暗物质，并占据了银河团的大部分质量。然而，人们认为等离子体在发出X射线的同时应该会冷却，随着中心密度的增加，银河团最终会在自身质量的作用下坍缩。但实际上并非如此，银河团以某种方式在100亿年的时间里保持着稳定。此项研究的目的是通过XRISM详细调查等离子体的温度和元素的运动情况来解开这个谜团。

现代科学认为，宇宙起源于138亿年前的一次大爆炸。紧接着温度从超高温状态下降，质子和中子开始反应，在几分钟内就产生了氘、氚、氦和微量的锂等轻元素的原子核。另一方面，氧、氮、硅和金属之类相对较重的元素似乎在更晚的时候才形成，例如在恒星及其终极形态的“超新星爆炸”中产生。用XRISM对超新星爆炸的残留物进行检测，以确定元素的比例及其散布方式。通过这种方式，则能了解元素的合成过程、产生这些元素的恒星以及超新星爆炸。

XRISM的科研带头人、首席研究员田代信在新闻发布会上说：“一般认为，比铁重的元素是在超新星爆炸等强能量现象中产生的，但我们对它们的了解仍然知之甚少。我们希望找出是什么产生了各种元素，以及它们是以什么速度扩散的。虽然一两次观测无济于事，但希望能对我们的理解做出重大贡献”。

研究团队还将精确测量气体落入黑洞前的能量，研究时空结构，并估算黑洞的自转幅度。同时还将探究被称为喷流的高速气体是如何从本应连光都能吞噬的黑洞中喷出的这一谜团。

“瞳”事故发生后，采取了多项防止重犯措施

“瞳”的示意图（供图：JAXA）

日本自1979年发射“天鹅”号以来，已经全力运行了六颗X射线天文卫星。最近的一颗名为“瞳”的卫星于2016年2月发射升空，但仅仅在一个多月后的初始运行期间，就出现了无法弥补的错误。首先，用于监测机体姿态的一个传感器停止工作，导致其在明明没有旋转时误判自己正在旋转，为试图停下来而开始向后旋转。为了保护机体，控制中心启动了姿态控制发动机，但在此过程中，从地面手动输入了错误的指令信息，负值没有转换成绝对值便发出，反而加速了旋转。

在这些不利因素的共同作用下，瞳的机身结构再也无法承受高速旋转，最终四分五裂。太阳能电池板和其他组件被认为在底部被撕裂。不严谨的操作导致失去了这颗刚刚发射的卫星。当时JAXA的报告中说，“观测仪器的开发和数据观测被放在了优先位置，卫星安全运行工作被放在了次要位置”。

XRISM是为防止瞳的故障再次发生而重新研制的的替代卫星，也是日本发射的第七颗X射线天文卫星。

防止再次发生故障的主要措施包括：（1）在姿态控制引擎异常点火时，停止飞行器旋转的功能；（2）可及早发现飞行器数据异常的自动监测系统；（3）在姿态变化超出预期时自主转入安全模式的机制；（4）监测发电量并在发电量低于预期时自主转入安全模式的机制；（5）当地面接收到超出有效范围的错误指令时不执行的功能。这一系列措施解决了瞳曾经出现过的所有问题。

开发体制也发生了变化。瞳是由美国国家航空航天局（NASA）负责提供机载设备，此次改为美日联合项目。另外，瞳的项目负责人是专门从事高能天体物理学研究的科学家。而在XRISM项目中，是由具有系统工程知识的前岛先生负责，由田代先生担任科研负责人。此外，还任命了一名与科研负责人平级的技术开发负责人。前岛先生解释说：“我们敢于寻求科学与工程之间的意见冲突，并构建了一个不偏重科学，可安全地实现（操作）的系统”。

满怀激情……这次一定要完成任务

X射线天文卫星XRISM。拍摄于8月21号在鹿儿岛县南种子岛町的种子岛宇宙中心（供图：JAXA）

另外，由于失去了瞳，JAXA最初把后来成为XRISM的卫星称为“替代卫星”，但不久后开始称其为“后继卫星”。针对这一点，在回答记者提问时，前岛先生解释说：“起初我们称它为替代卫星，但在开发初期，我们与NASA进行了磋商，并表示‘继续称它为替代卫星有些消极了，让我们给它起个新名字吧’，于是把它命名为了XRISM”。

笔者极为赞赏这种积极的思考方式。但是，由于瞳在初期运作阶段就毁坏了所以才需要XRISM，以及其观测设备的性能与瞳相当，加之倾注了“此次一定要为完成任务”的强烈愿望，因此笔者觉得称其为瞳的“替代卫星”似乎更为恰当。当然这个看法也并非就一定是正确答案。

欧洲在日本和美国的参与下，也计划在2030年代后半建造一个超大型X射线太空望远镜“雅典娜”。首先，XRISM将观测附近的银河团，然后把结果传给可捕捉更远银河团的雅典娜。XRISM将成为雅典娜的“领航员”。捕捉炙热宇宙的热情将如何在科学中结出硕果，让我们拭目以待。