出品：科普中國
製作：中國科學院國家天文臺黑洞來客團隊 苟利軍 黃月
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
北京時間4月7日的下午2點30分，日本宇宙航空研究開發機構(JAXA, Japan Aerospace Exploration Agency)召開了一次不同尋常的新聞發布會，這次發布會無關任何最新的科研結果，而是向全世界匯報了日本新近發射的X射線衛星「瞳」（Hitomi）的近況。
「瞳」是日本的第八顆天文衛星，是和美國宇航局(NASA)聯合研製，於今年2月17日在日本的鹿兒島發射場發射升空。最近突然無故解體，與母星地球失去了聯繫……
發生了什麼？
在JAXA的官方網站上提到，「瞳」這個名字是從中國的成語故事——畫龍點睛中受到的啟發。眼睛是我們了解這個豐富多彩世界的窗口，而這顆衛星攜帶的幾個前所未有的高精度設備，讓我們能夠更好地研究和了解宇宙激烈變化的一面。
圖1：（左）畫龍點睛的成語故事；（右）衛星「瞳」的想像圖（來自於JAXA網站)
「瞳」的靈敏度比之前的探測器高出幾十倍。除解析度高之外，它還具有集光能力強和成像的能量範圍廣等特點，並能精確地把光譜分解成不同的能量成分，讓我們能夠以前所未有的精確度更為深刻的理解黑洞和宇宙。
那麼，這顆寓意為「人類之眼」的衛星究竟遭遇了什麼？
根據目前的記錄，我們可以知道，2016年3月25日，望遠鏡正在對其中的一個天體進行設備性能驗證操作之時，望遠鏡的高度首先發生了異常變化。這發生在它整個任務的第二個階段，也就是性能驗證階段。到3月26日北京時間凌晨3點10分的時候，衛星突然開始旋轉，再到3月26日早上9點40分的時候，望遠鏡已經發生部分解體。
美國的跟蹤系統在望遠鏡所運行的軌道上發現了11塊殘骸，而美國的聯合空間控制中心(Joint Space Opertions Center; JSpOC)則宣稱發現了10塊殘骸。日本地面的射電和光學望遠鏡對這些殘骸進行了追蹤觀測，光學望遠鏡確認了其中最大的兩塊，分別命名為2016-012A和2016-012L。它們非常明亮，在以每分鐘幾圈的速度轉動。通過對大小尺寸進行限制，科學家發現2016A很可能就是望遠鏡的主體，而2016-012L很可能是帶有硬X射線成像探測器的可擴展光學平臺，或者是太陽能電池板。
造成部分部件首先解體的原因是旋轉，而旋轉又進一步導致了其他一些部件的解體。
至於導致旋轉的真正原因，儘管JAXA現在還沒有真正找到，但是通過解體事件分析，他們相信應該不是空間碎片的撞擊所為，最大的可能是衛星的推進系統氮氣壓力罐爆炸，或是冷卻設備中冷卻液的洩露導致的。
在發現衛星部分部件解體之後，JAXA本來想利用隨後衛星過境的機會和衛星進行通訊聯繫，對衛星發送傳輸指令和接受遙測數據，從而了解衛星究竟發生了什麼。但是，截止3月29號之前，僅僅只接收到過總共6次來自望遠鏡的極簡訊號，並沒有望遠鏡的其它觀測以及狀態數據，所以沒有辦法確認衛星的健康狀態。在3月26日和3月27日分別兩次，每次接受到的信號時長大約在幾分鐘，但是到了3月28日和3月29日時，每次的信號時間減少到只有幾秒鐘。
解體後的碎片何去何從？
通過對這些殘骸軌道的追蹤，JAXA發現，在過去的這段時間裡，其中兩塊編號分別為M和K的殘骸，其軌道高度發生了明顯的降低，而且還在一直降低，預計它們大約會在一兩個星期內落入地球大氣層。但是它們體積很小，所以在下落過程中會因與大氣層摩擦而完全燃燒，不留任何痕跡。
其它衛星殘骸目前看起來運行穩定，在目前的軌道高度上（大約500多公裡），會存在相當長的時間。但是它們不會對正在運行或者之後的衛星造成損害，因為這些碎片都相對比較大，而且軌道確定，其它衛星很容易避開它們。
圖2：衛星正常工作和目前工作狀態對比圖（來自於新聞發布會手冊截圖）
根據4月7日的新聞發布會，目前的首要任務就是和衛星建立聯繫。
根據JAXA的估計，衛星的主體依舊完好，希望衛星主體的旋轉最終能夠減慢，這樣太陽能電池板就有時間收集太陽能，望遠鏡可以重新獲得能量，JAXA就存在一定的機會重新和望遠鏡取得聯繫。與此同時，JAXA也在對事故之前所收集的數據進行深入分析，調查產生異常的可能原因。
衛星「瞳」到底有多厲害？
衛星「瞳」主要由兩部分構成。
一部分是X射線望遠鏡的光學系統(X-ray Telescope), 它的作用是對X射線進行聚焦，和我們看到的光學波段的聚焦系統作用一樣。「瞳」的光學系統包括了兩個軟X射線望遠鏡(Soft X-ray Telescope；一個用於光譜測量，一個用於成像測量，它們的能量觀測範圍大約都在0.3-12 keV)和兩個硬X射線望遠鏡(Hard X-ray Telescope；觀測能量範圍在 5-80 keV)。
另外一部分就是探測器系統。不同的探測器分別用於探測被不同望遠鏡所收集到的X射線光子。它包括軟X射線成像儀(Soft X-ray Imager)、軟X射線光譜儀(Soft X-ray Spectrometer)、硬X射線成像儀(Hard X-ray Imager)。我們可以注意到，因為硬X射線很難聚焦，所以與軟X射線探測器相比，它被放置在一個更遠的位置上。除這些探測器之外，還有一個軟伽馬射線探測器（SGD，觀測能區40-600keV），它能夠監測觀測方向上的伽馬射線。
在所有的設備中，最讓人期待的是軟X射線成像儀。因為它帶有一個叫做微測熱儀(micro-calorimeter) 的探測設備，具有對軟X射線超精細分辨的能力，能量分辨可以達到4.2 eV（在6 keV處）。與之前的所有其它X射線衛星相比較，微測熱儀在同樣能量處的能量解析度可以高將近30倍。所以如果此成像儀能夠成功運行，將會使X射線的天文觀測進入一個全新的、精細能譜觀測時代。
這個微測熱儀雖然功能強大，原理卻十分簡單。它其實就是一個量熱器，即通過測量溫度的變化來測量入射的X射線的能量，這和我們測量不同溫度水混合後的溫度的道理是一樣的。對於此微測熱儀，它利用了一塊薄的吸收體。當X射線入射到吸收體上時會引起吸收體的溫度的變化，而溫度的變化量就反應了入射X射線光子的能量。因為光子能量引起的溫度變化通常很小，所以要求吸收體的系統溫度處於極低的狀態，通常工作溫度大約為50mK（毫開爾文），幾乎接近於絕對零度，所以製冷系統非常關鍵。目前通常使用的製冷技術是液氮製冷。
在2005年日本發射的上一顆天文衛星—— 朱雀（Suzaku）上，本來也放置了類似的探測設備，但不幸的是，衛星上天沒多久，冷卻用的液氮發生了洩露，導致設備失效。這次衛星「瞳」吸取了上次的失敗教訓，除過液氮製冷之外，還放置了備用的機械製冷設備，以防液氮洩露。不過很可惜的是，現在衛星解體，暫時失聯，探測設備是否還能使用還不知道。不過有人懷疑衛星的解體，就是液氮洩漏，導致衛星轉動，從而使衛星部分部件脫離。還有說法認為是冷卻系統的電池爆炸導致此次事故。
圖3：衛星「瞳」的科學組件構成 （來自於JAXA網站)
在所有的觀測設備中，另外一個很重要的觀測設備就是硬X射線成像望遠鏡。這是全世界第二個對硬X射線聚焦成像的衛星，第一個是美國的硬X射線NuSTAR衛星（於2012年發射）。因為硬X射線能量很高，所以很難直接聚焦成像。從技術的角度而言，除了聚焦鏡面需要特別處理之外，整個系統的聚焦長度也要求比較高，通常大約在10米以上。美國的NuSTAR衛星聚焦長度是10.14米，而「瞳」達到了12米。因為運載衛星的火箭無法容納如此長的衛星，所以，還使用了一種叫做可擴展光學平臺（extensible optical bench）技術。硬X射線探測設備放置在這個平臺上，平臺和衛星的主體以一個可以伸縮的桅杆相連接。光學平臺在發射時候是收縮起來的，等到進入軌道以後可以伸展開來，從而達到所需要的長度。其實NuSTAR也使用了同樣的技術上，而且因為連接平臺和主體的桅杆比較脆弱，不能承受過大的旋轉，所以一旦衛星轉動，這個桅杆就有可能斷裂。
孿生兄弟或將替「瞳」遠行
作為日本的第八顆天文衛星，在開始正式的觀測之前，「瞳」原本的太空之旅有四程路要走，但遺憾的是，它走到第二程便與我們失去了聯繫。
圖4：衛星的控制流程圖（來自於新聞發布會手冊截圖）
1.第一程：
衛星於2016年2月17日發射升空，在截止到2月29日的11天之內，地面已經完成一些關鍵設備的驗證和操作(Critical Operation Phase)，比如衛星主體功能的驗證，可擴展光學平臺的打開等。因為這些過程涉及到衛星能否正常工作，所以非常的關鍵，需要首先得到測試和驗證。
2.第二程：
在2月29日到4月中旬的這段時間，對各項儀器的性能進行測試(Performance Verification Phase)。保證各項設備能夠按照之前預定的性能工作。
3.第三程：
從4月中旬到6月初，利用差不多6個星期的時間，對一些天體進行觀測，從而對儀器的各項性能進行校準(Calibration Phase)，更好得理解設備的各項性能，從而提高觀測精度。
4.第四程：
第四個是測試觀測階段(Test Observation Phase)，這一階段大約持續6個月。而在這一階段結束之後，衛星將進入正式的觀測階段。
對於一個成功的衛星而言，每一個階段都至關重要。如能進入第4個階段，這就意味著衛星已經順利運行。至於其最終運行的時間長短，則取決於部件的壽命和經費等多種因素。
圖5：日本Bisei光學望遠鏡觀測到的遺骸像，位於十字的中心（來自於新聞發布會手冊截圖）
對於「瞳」而言，此衛星探測設備的精度比之前提高了幾十倍，讓我們能夠看到星系或者黑洞周圍更為精細的一些結構，這對於整個高能天體物理的研究意義至關重要，所以每一位天文研究者都非常期望能夠與它重新取得聯繫。
如果失聯，不僅2.7億美元的花費打了水漂，還將對天文研究造成無法估量的損失。
如果最終不能與」瞳「取得聯繫，那麼科學家將會不得不暫時放棄。但是，從現在來看，這個放棄尋找的時間點還很難確定，也許是一兩周，也許是在一個多月之後，也有可能是幾個月。
日本科學家在空間探索的道路上，向來以堅韌不拔的精神而著稱，所以，只要有一絲可能聯繫的希望，他們都會努力去嘗試。儘管，一些著名的科學家，比如英國知名天體物理學家Andrew Fabian，認為與「瞳」恢復通訊的可能性已經非常渺茫。
當然，如果真的失聯，人類很有可能再次發射一顆與「瞳」類似的衛星上天，繼續它未盡的工作和使命。
就像之前的日本的上一顆X射線衛星「朱雀」（Astro-E；日本第六顆天文衛星）一樣，同樣也是搭載了微測熱儀探測器。Astro-E衛星的兩次發射可以稱得上是「命途多舛」：第一次，Astro-E衛星直接發射失敗，掉到了海裡；第二次，時隔四年之後，Astro-E的一個複製品又被發射升空，這顆後來被命名為「朱雀」（Suzaku；同時也被稱為Astro-E2）的衛星發射上去沒幾天，就因為液氮洩露，微熱量儀設備不能運轉，所幸其他設備未受影響，「朱雀」在運行了大約10年後，於2015年後半年停止了工作。
祝福在茫茫太空走丟的「小孩」
在通常情況下，衛星一旦失聯，想要重新建立聯繫，比找回一個走失兒童的可能性還要低，很多情況下，主要是因為衛星缺少了動力或者能源。
這方面的例子比比皆是。
在最近的一次報導中，2016年3月24日，美國空軍航天司令部（AF Space Command）正式承認已損失先前失聯的一顆氣象衛星。早在2016年2月11日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的地面操作人員就發現他們無法控制該衛星，直到3月24日，航天司令部正式承認損失後，位於科羅拉多州施裡弗空軍基地（Schriever AF Base）的地面操作人員才放棄與該衛星恢復通信的嘗試。損失的這顆衛星是「防衛氣象衛星計劃」（Defense Meteorological Satellite Program）中的第5D批次第19星，由洛克希德·馬丁公司生產，於2014年4月發射。防衛氣象衛星主要用於預測大霧、雷暴、颶風等可能影響軍事行動的氣象。該衛星是目前美軍最新的一顆氣象衛星，原定使用壽命為5年。
當然也有一些特殊情況，人類通過種種嘗試與先前失聯的太空「小孩」重新取得了聯繫，令我們歡呼雀躍。比如菲萊彗星探測器(Philae)，它在失聯7個月之後，又甦醒過來，並且和地球取得了聯繫。菲萊是歷史上首個登陸彗星的太空飛船，去年11月由羅塞塔號送上彗星67p。在彗星上工作了60個小時後，菲萊由於太陽能燃料不足而「冬眠」。後來，隨著彗星67p距離太陽越來越近，菲萊吸收了足夠的能量，讓自己「甦醒」了過來。
現在的「瞳」也很可能是因為衛星高速旋轉，太陽板不能有效吸收太陽能，從而無法提供電力。按照JAXA所說，如果衛星主體能夠逐漸減慢轉速的話，那麼就有可能和衛星再次建立聯繫。但是什麼時候轉速才能減慢，我們目前還無從得知。
人類在太空探索上雄心勃勃，不過探索道路不易，讓我們祝願JAXA好運，早日尋回在茫茫太空走失的「孩子」——衛星「瞳」。
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