搭载有XRISM的H2A火箭于2023年9月7日上午7:42（北京时间）从鹿儿岛县发射场顺利发射。图片来源：JAXA 北京时间2023年9月7日早上7：42，承载了几代人期望的日美联合卫星XRISM（X-Ray Imaging Spectroscopy Mission）顺利升空。但说办庆功宴还为时尚早。事实上，这已经是过去近20年来以X射线微量能器（X-ray microcalorimeter）为核心载荷的空间X射线望远镜的第四次尝试了。
毛俊捷 ｜ 撰文
今年8月初，在美国麻省理工学院召开的以X射线高分辨能谱观测为主题的年度Chandra X-ray Workshop上，XRISM的美航局项目科学家Brian Williams调侃说：“To me, the fourth is the charm”（注：英文中有"the third time is the charm"这一说法，意思是第三次尝试就该成功了）。Brian为何这么说呢？为什么XRISM发射成功了还不能办庆功宴呢？在回顾2000年以来的三次尝试前，让我们先把时间拨回到上世纪80年代，简单地回顾一下故事的开端。
早在上世纪80年代左右，美国科学家就开始计划在空间X射线望远镜AXAF（Advanced X-ray Astrophysics Facility，也就是后来广为人知的于1999年发射的钱德拉X射线望远镜）上搭载一个X射线微量能器光谱仪（X-Ray Spectrometer, XRS）。彼时，由于X射线微量能器技术还不够成熟，美航局最终选择了光栅光谱仪作为AXAF的X射线高分辨能谱载荷。自1995年起，美国威斯康星大学开始致力研发XQC（X-ray Quantum Calorimeter）探空火箭系列项目。美国时间1999年3月28日，搭载有X射线微量能器的探空火箭成功发射。尽管探空火箭的观测时间很短（约4分钟左右），但天文学家们首次获得了银河系弥漫X射线辐射的高分辨能谱观测数据，并为此后利用X射线微量能器开展长期观测的空间项目奠定了基础。
图1: 左图为1999年3月28日发射的XQC探空火箭。图片来源：https://phonon.gsfc.nasa.gov/rocket/。右上图是天文学家们首次获得弥漫X射线辐射的高分辨能谱观测数据， 右下图为和观测数据相符合的理论模型。图片来源：D. McCammon et al. 2002, ApJ, 576, 188。
相较于光栅光谱仪，X射线微量能器的优势在于既能成像又能获得高分辨能谱，因此极其适用于弥漫X射线辐射的高分辨能谱数据获取。日航局（JAXA）和美航局（NASA）也就此拉开了长达20多年的合作，持续投入以X射线微量能器为核心载荷的空间X射线望远镜系列的持续投入。图2: Hitomi所搭载的X射线微量能器SXS（Soft X-ray Spectrometer）对英仙座星系团（Perseus galaxy cluster）内弥漫热等离子体（空间分布达几十万光年）的观测。Hitomi/SXS视场内的每一个像素单元都可以获得X射线高分辨能谱。图片来源：NASA Goddard and NASA/CXC/SAO/E. Bulbul, et al. 。2000年2月10日，日本宇宙科学研究所（ISAS，Institute of Space Astronautical Science，于2003年并入日航局JAXA）和美航局联合项目X射线望远镜Astro-E发射失败。该项目搭载有美航局提供的XRS-1（延续了AXAF项目中XRS的命名）。由于发射火箭M-V的一级发动机在起飞后42秒左右发生故障，Astro-E坠落并烧毁。日美迅速决定重造Astro-E卫星。新的项目代号为Astro-E2。
2005年7月10日，Astro-E2发射成功。该项目搭载有美航局提供的XRS-2。Astro-E2成功在轨运行近10年（于2015年9月2日停止运行）并被重命名为Suzaku（朱雀，即我国古代天之四灵中的红色神鸟）。然而，XRS-2却没有任何科学产出。X射线微量能器的工作温度为0.1 K以下（注：绝对零度0 K即零下270摄氏度）。空间极低温制冷极具难度，通常要分为预冷和极冷两个阶段来实现。液氦预冷能将环境温度降到4K左右，紧接着通过如绝热去磁制冷等方式再将环境温度从4 K降到0.1 K以下。Suzaku卫星携带了约30升液氦，不幸的是，7月29日和8月8日由于设备故障引起了几次液氦蒸发事件。在Suzaku成功发射后不到1个月内液氦便损耗殆尽，XRS-2也因此并未开展科学运行。2016年2月17日，日美联合卫星Astro-H发射成功。该项目搭载有美航局提供的X射线微量能器探测器SXS（Soft X-ray Spectrometer）。在Astro-H发射成功后，日航局将其重命名为Hitomi（中文名为瞳）。彼时还在荷兰空间研究所SRON的日本科学家Hiroki Akamatsu告诉笔者，瞳这个名字源自于中国成语故事画龙点睛。命名寓意美好，但“神龙”召唤出来才一个多月Hitomi卫星便由于一系列技术故障折戟沉沙。这一系列“致命”事故的开端是卫星控制系统（Altitude Control System）向卫星发出旋转信号，错误的旋转方向使得卫星不断加速旋转。我们也许曾有过一次“抢救”的机会，但那次极为关键的地空通讯出现故障并我们与卫星彻底失联（3月26日），整个卫星在高速旋转中四分五裂（3月27日）。4月28日，日航局正式宣布Hitomi项目寿终正寝。
图3：日美联合卫星系列Astro E2（Suzaku，左），Astro H（Hitomi，中）和XRISM（右）。图片来源：JAXA，NASA。不幸中的万幸，Hitomi的X射线微量能器开展了科学观测，并通过对英仙座星系团（Perseus galaxy cluster）累计达338 ks（近90小时）的观测获得了在2-10 keV能段上迄今为止最高质量的X射线高分辨能谱，取得了一系列突破性成果（速通部分成果请点此链接）。Hitomi/SXS的研发吸取了Suzaku/XRS-2失利的经验，默认的预冷方式仍为液氦，但同时配备有机械制冷装置，使得卫星在液氦用完（预计3年）后仍可以通过机械制冷的方式将环境温度降到4K从而大幅延长卫星的工作寿命。补充说明一下，Hitomi/SXS的预设工作能段下限可以达到0.3 keV。Hitomi发射成功后的前几个月还处于性能验证阶段（Performance Validation phase, 简称PV phase）。出于谨慎考虑，Hitomi的闸阀（gate valve）处于关闭状态，从而能极大幅度地减小0.3 - 2 keV能段的大量光子，进而保护探测器。图4: Hitomi和Suzaku所提供的英仙座星系团（Perseus galaxy cluster）的X射线能谱对比。横轴为X射线光子能量（左低右高），纵轴为X射线光子流量。黑色为2016年发射的瞳（Hitomi）望远镜的观测能谱（高分辨），红色则为2005年发射的朱雀（Suzaku）望远镜的观测能谱（低分辨）。不难发现Hitomi能谱（黑色）要比Suzaku能谱（红色）更为精细。图片来源：Hitomi collabration, 2016, Nature, 535, 117。俗话说，事不过三。造价2.7亿美元的Hitomi卫星的陨落第三次给予了众多相关科研人员沉重的打击。笔者当时正在荷兰空间研究所SRON攻读博士学位，预期围绕Astro H (Hitomi)开展的博士研究课题顿时化为乌有。几年后，笔者的合作者美国密歇根大学的Jon Miller教授则告诉我他的博士研究课题原本预期围绕着Astro E开展的，而他的博士后研究课题原本预期围绕着Astro E2 (Suzaku）开展的。也许，至此你会选择放弃。然而，日航局和美航局却依然选择坚持。2016年8月XARM（X-ray Astronomy Recovery Mission）项目展露眉目。XARM并不是Hitomi的复制品，而是删简版，但却保留了X射线微量能器。2018年9月，整个项目改名为XRISM（X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission，日航局近期决定发射成功后不再重命名），X射线微量能器载荷则被命名为Resolve。
随着XRISM升空，我们期待它顺利通过性能验证阶段并力挽狂澜，在今后的几年内顺利开展X射线高分辨能谱观测！
XRISM/Resolve于X射线微量能器技术的天文观测应用而言仅仅是小荷才露尖尖角。美国威斯康星大学的XQC项目团队已经于2022年6月26日成功发射了搭载有第二代超导转变边沿传感器（Transitional Edge Sensor, TES）微量能器的探空火箭并获得天文观测数据。相较于Hitomi和XRISM所搭载的第一代硅基微量能器而言，超导TES微量能器的像素单元数量和能量分辨率均有显著提升。举个例子，日美联合卫星XRISM/Resolve将有36个像素单元，每个像素单元的能量分辨率为6 eV，而我国主导且正在立项中的HUBS卫星将有3600个像素单元，每个像素单元的能量分辨率为2 eV（视场中心的144个小像素单元的能量分辨率更是可以达到0.8 eV）。事实上，各大航天局均期待在下一代的空间X射线望远镜上启用超导TES微量能器，包括我国主导研发并正在立项中的中国空间站项目银河系热重子探寻计划 DIXE（DIffuse X-ray Explorer）和独立卫星项目宇宙热重子探寻计划HUBS（Hot Universe Baryon Surveyor)，欧空局（ESA）的下一代旗舰型空间X射线望远镜ATHENA（Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics），美航局概念项目LEM（Line Emission Mapper），日航局概念项目SuperDIOS，加航局概念项目Colibri等。
图5: 左图为我国主导研发并正在立项中的HUBS空间天文望远镜。右图为正式发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》期刊的HUBS科学白皮书（杂志封面）。X射线天文的历史不长，始于上世纪60年代。过去60年几乎是欧美日三方主导空间X射线天文项目的研发（包括望远镜，空间站项目，探空火箭等）。2017年我国第一颗X射线望远镜“慧眼”成功发射并取得一系列重大成果。2023年底，中国科学院战略性先导科技专项空间科学（二期）项目爱因斯坦探针（Einstein Probe）预计发射升空。二者各有特色，但均未搭载X射线微量能器。目前，清华大学、中国科学院国家天文台、中国科学院理化技术研究所、中国计量科学研究院、同济大学等多家国内单位正在联合研发第二代 X射线超导TES微量能器、空间机械制冷、空间绝热去磁制冷、超导电子学复用读出等多项关键技术，为正在立项中的DIXE和HUBS空间X射线项目提供技术支持。
作者简介：
毛俊捷，2022年6月加入清华大学天文系担任助理教授。DIXE项目的科学负责人，HUBS项目X射线高分辨能谱科学工作组的副组长，XRISM项目的客座科学家，ATHENA项目的科学工作组成员。他的主要研究兴趣是通过X射线高分辨能谱观测并研究宇宙中的多种天体等离子体，如超大质量黑洞等离子体外流，星系热等离子体的元素丰度等。除天文观测之外，他的研究内容还包括原子物理数据的计算和天体等离子体模型的研发。参考文献：
[1] McCammon, D., Almy, R., Apodaca, E., et al. 2002, ApJ, 576, 188. doi:10.1086/341727
[2] Hitomi Collaboration, 2016, The quiescent intracluster medium in the core of the Perseus cluster, Nature, 535, 117. doi:10.1038/nature18627
[3] Bregman, J., Cen, R., Chen, Y., et al. 2023, Science China: Physics, Mechanics and Astronomy 66, 299513. doi: 10.1007/s11433-023-2149-y
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