任务综述：XRISM如何改变我们的X射线宇宙观？

我们的眼睛看不到宇宙中大部分炽热气体发出的 X 射线，它可以揭示许多宇宙奥秘。日本宇宙航空研究开发机构的 X 射线成像和光谱任务（XRISM）对这种气体的"第一道曙光"观测现在已经完成。它们表明，该任务将在揭示宇宙演化和时空结构方面发挥重要作用。

XRISM的首批测试图像显示了一个星系团和一颗超新星残骸--一颗大质量恒星爆炸后留下的外壳。此外，XRISM 还测量了从超新星遗迹射入的 X 射线的能量，以揭示其中所含的化学元素。这些观测结果展示了XRISM的两台科学仪器的非凡能力。它们是在任务的"调试阶段"进行的--工程师们在这一阶段进行所有必要的测试和检查，以确保航天器尽可能地工作正常。宇宙的 X 射线图像很特别。它们看起来与我们习惯看到的可见光和红外线图像（如詹姆斯-韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜拍摄的图像）截然不同。由于 X 射线是在最热、最剧烈的事件中发出的一种非常高能的光，因此它们还能传递有关宇宙最剧烈现象的独特信息。

XRISM 是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和美国国家航空航天局（NASA）之间的一项合作，欧空局也有大量参与。作为提供硬件和科学建议的回报，欧空局获得了XRISM可用观测时间的8%。欧空局科学部主任卡罗尔-蒙代尔（Carole Mundell）说："尽管XRISM尚未完全校准，但它已经进行了如此精彩的科学观测，这实在令人激动。这表明这项任务为我们的科学界在研究宇宙中能量最大的现象方面提供了突破性发现的潜力。我祝贺日本宇宙航空研究开发机构、欧洲航天局和美国国家航空航天局的工程团队达到了这一重要的里程碑"。

XRISM 星系群 Abell 2319XRISM 的 Xtend 仪器用 X 射线捕捉到了星系团 Abell 2319，这里用紫色显示。背景是以可见光显示该区域的地面图像。图片来源：JAXA/NASA/XRISM Xtend；背景：DSS

这张开创性的图像是附近一个名为 Abell 2319 的星系团的广角视图。在紫色部分，我们看到了来自百万度气体的 X 射线光，这些气体渗透到星系团中的星系之间。观测这些气体有助于天文学家测量星系团的总质量，揭示宇宙诞生和演化的信息。

XRISM对星系团的观测还将让人们深入了解宇宙是如何产生和分布我们今天在地球上发现的化学元素的。星系团中的高温气体是数十亿年来恒星诞生和死亡的残余物。通过研究气体发出的 X 射线，XRISM 将发现气体中含有哪些"金属"（比氢和氦重的元素），并绘制出宇宙是如何富含这些元素的。

Abell 2319 的这幅图像是用 XRISM 的 Xtend 仪器拍摄的，该仪器使用 CCD 相机拍摄扩展的 X 射线发射天体及其周围环境的图像。Xtend 的独特功能可以一次性捕捉到整个星团，这使我们对宇宙大尺度结构的认识向前迈进了一大步。了解更多信息。

XRISM 的"决心"仪器捕获了大麦哲伦星云中超新星残余物 N132D 的数据，为该天体绘制了有史以来最详细的 X 射线光谱。光谱显示了与硅、硫、氩、钙和铁有关的峰值。右侧插图是 XRISM 的 Xtend 仪器拍摄的 N132D 图像。资料来源：JAXA/NASA/XRISM Resolve 和 Xtend

这张色彩斑斓的照片显示了一颗大质量恒星在附近的大麦哲伦云中爆炸的残骸。不同的颜色表示不同能量的 X 射线光，红色能量最低，蓝色能量最高。

XRISM利用其"决心"（Resolve）仪器，可以对Xtend拍摄到的超新星残骸图像（右上角）进行补充，以获得N132D中存在的化学元素的超清晰图像。这样，科学家们就可以计算出每种元素在超新星残骸中的具体位置。

XRISM 可以通过测量每种元素发出的 X 射线光的特定能量来识别它们。上图显示了以前无法区分的独立峰值；这为深入了解宇宙中元素的形成和分布奠定了基础，而这些元素构成了恒星、行星和生命本身的基础。

"决心"的独特设计还使我们能够比以往任何时候都更详细地探索这个超新星残余物中发射X射线的热气体的温度、密度和运动。这将揭示残余物与其周围环境的确切互动方式，以及最初产生残余物的爆炸性质。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的 X 射线成像和光谱学任务（XRISM）于日本时间 2023 年 9 月 7 日 08:42 / 北京时间 00:42 / 美国中部时间 01:42 从日本种子岛航天中心搭乘 H-IIA 火箭升空。它的成功发射标志着一项雄心勃勃的任务的开始，这项任务旨在探索星系团的生长、宇宙的化学构成以及时空的极端。图片来源：JAXA

自发射以来，JAXA 都在做些什么？

XRISM于9月6日发射升空。从那时起，JAXA 的工程师和科学家们就一直在努力工作，让这台望远镜为科学研究做好准备。这包括开启和测试 XRISM 的两个仪器：Xtend 和 Resolve。

航天器目前状况良好。对机载系统，如控制电源、航天器方向和与地球通信的系统进行的检查证实，这些系统都能按计划工作。欧空局提供的硬件在试运行阶段初期进行了测试，所有硬件均按预期运行。

Xtend 仪器工作出色。决心"仪器也运行良好。其能量分辨率--关键的科学性能指标--甚至超过了要求。然而，工程师们还未能打开覆盖探测器的过滤器，该过滤器的设计目的是在发射前和发射过程中保护探测器。目前正在努力解决这个问题，但 XRISM 团队已经决定，计划中的科学观测应假定过滤器将保持原位。N132D 能谱表明，突破性的科学研究仍然可以实现。

XRISM 将以前所未有的集光能力和能量分辨率（区分不同能量的 X 射线的能力）组合来研究宇宙的 X 射线光。这项任务将为星系团的动力学、宇宙的化学构成和围绕吸积超大质量黑洞（活动星系核或 AGN）的物质流等许多课题提供一幅图景。图片来源：欧空局

下一步是什么？

航天器调试阶段将于 1 月底结束。2 月，日本宇宙航空研究开发机构将开始校准仪器并展示其能力。

作为向全世界科学家开放的公共观测计划的一部分，分配给欧空局的观测时间将使欧洲科学家能够抓住"决心"号前所未有的高分辨率光谱能力所带来的非凡科学机遇。已经邀请科学家提交他们希望从2024年8月开始进行观测的建议。截止日期是2024年4月4日。

通过将大型 X 射线望远镜与最先进的科学仪器相结合，雅典娜望远镜将解决天体物理学中的关键问题，例如：普通物质是如何以及为何聚集成天体的？普通物质如何以及为什么会组合成我们今天看到的结构（星系、星系群和星系团） 图片来源：欧空局

欧空局XRISM项目科学家Matteo Guainazzi说："这些第一张光线图像表明，XRISM正在实现它的承诺，即开创宇宙热气体高分辨率成像光谱学的新纪元。热烈鼓励欧空局成员国的科学家们抓住 XRISM 提供的独特机会，提交使用这台宏伟望远镜进行观测的建议。"

利用XRISM进行的观测将补充欧空局XMM-牛顿X射线望远镜的观测，并将为欧空局未来的大型飞行任务"新雅典娜"（NewAthena）的观测计划奠定良好的基础。后者的设计目标是大幅超越现有光谱和巡天 X 射线天文台的科学性能。

编译来源：ScitechDaily