China wird den Satelliten „Einstein Probe“ starten, um Schwarze Löcher im Universum zu untersuchen und zu lokalisieren

Kürzlich gab die Chinesische Akademie der Wissenschaften bekannt, dass mein Land Ende 2023 den Start eines Einstein-Sondensatelliten plant. Dieser soll den ersten „Lichtstrahl“ einer Supernova-Explosion einfangen, bei der Suche und genauen Lokalisierung der Quelle von Gravitationswellen helfen und weiter entfernte, schwächer leuchtende Himmelskörper sowie flüchtige, mysteriöse Phänomene im Universum entdecken. Um welche Art von Satellit handelt es sich? Was sind die einzigartigen Tricks? Warum ist es nach Einstein benannt?

01. Ein Röntgenscanner im Weltraum

Der Satellit Einstein Probe ist ein Röntgen-Weltraumobservatorium .

Wenn Sie von Röntgenstrahlen sprechen, denken Sie sicherlich an das Gerät, das bei körperlichen Untersuchungen für Röntgenaufnahmen des Brustkorbs verwendet wird und mit dem Sie durch die Kleidung hindurch Bilder des Brustkorbs aufnehmen können. Tatsächlich sind Röntgenstrahlen auch eine Art elektromagnetischer Wellen. Viele hochenergetische Himmelskörper im Universum erzeugen elektromagnetische Strahlung im Röntgenbereich. Wenn beispielsweise ein Stern das Ende seines Lebens erreicht, erzeugen eine Supernova-Explosion, die Verschmelzung zweier Neutronensterne oder ein Schwarzes Loch, das umgebende Materie ansammelt, starke Röntgensignale. Sogar unsere Sonne erzeugt ständig elektromagnetische Wellen im Röntgenbereich.

Man kann sagen, dass das Röntgenband nicht nur für körperliche Untersuchungen im täglichen Leben verwendet wird, sondern auch zur Durchführung von „körperlichen Untersuchungen“ an hochenergetischen Himmelskörpern, die Röntgenstrahlen erzeugen, verwendet werden kann. Durch die Analyse der von hochenergetischen Himmelskörpern erzeugten Röntgensignale können die physikalischen Prozesse hochenergetischer Himmelskörper charakterisiert und so unser wissenschaftliches Verständnis der Entstehung und Entwicklung des Universums verbessert werden.

Daher ist die Röntgendetektion im Bereich der Astronomie sehr wichtig. Da unsere Atmosphäre jedoch Röntgensignale absorbiert, werden im Weltraum Röntgenobservatorien gebaut. Im Jahr 1996 starteten die Vereinigten Staaten das Chandra-Röntgenobservatorium und im Jahr 2017 startete mein Land das Insight-HXMT-Teleskop für harte Röntgenstrahlungsmodulation und leistete damit wichtige Beiträge zur Entdeckung des mysteriösen Röntgenuniversums.

Auch hochenergetische Himmelskörper im Universum senden Röntgenstrahlen aus. Bildquelle: Tuchong Creative

02. Geniales Design, das Sichtfeld und Empfindlichkeit vereint

Bei astronomischen Beobachtungen erhoffen wir uns oft einen möglichst weiten Blickwinkel und ein möglichst dunkles Ziel. Dies spiegelt sich in den Designindikatoren wider, d. h. wir hoffen, dass das Sichtfeld des Teleskops möglichst groß und die Empfindlichkeit möglichst hoch ist. Auf diese Weise können wir schnell das gesamte Universum sehen und die dynamischen Veränderungen im Universum in Echtzeit überwachen.

Für die Konstruktion eines Teleskops sind Sichtfeld und Detektionsempfindlichkeit jedoch zwei widersprüchliche Indikatoren . Für ein Teleskop mit großem Sichtfeld ist es oft schwierig, eine hohe Erkennungsempfindlichkeit zu erreichen, während es für ein Teleskop mit hoher Erkennungsempfindlichkeit oft schwierig ist, eine Erkennung mit großem Sichtfeld zu erreichen. Es ist, als ob man nicht alles haben kann. Das einzigartige Merkmal des Satelliten Einstein Probe besteht darin, dass er sowohl ein großes Sichtfeld als auch eine hochempfindliche Erkennung erreicht . Seine Kernnutzlast ist ein Hummeraugen-Teleskop .

Biologen haben schon früh entdeckt, dass sich die Augen von Hummern von denen anderer Tiere unterscheiden. Sie bestehen aus zahlreichen mikroskopisch kleinen Röhren in Form quadratischer Löcher. Die Wände der Röhren sind glatt und zeigen auf denselben Mittelpunkt. Diese Struktur ermöglicht es, dass Licht aus allen Richtungen in den kleinen quadratischen Löchern reflektiert wird und auf der Netzhaut zusammenläuft.

Im Jahr 1979 ließen sich amerikanische Wissenschaftler hiervon inspirieren und schlugen vor, ein Teleskop zu bauen, das Hummeraugen simuliert und es ermöglicht, Röntgenstrahlen zu bündeln und durch Reflexion zu Bildern umzuformen. Allerdings wurde diese Idee lange Zeit nach ihrer Vorstellung nicht umgesetzt. Erst mit der Verbesserung der Mikrobearbeitungstechnologie konnten Wissenschaftler nach und nach mikroporöse Hummerlinsen entwickeln, die mit kleinen quadratischen Löchern von der Dicke eines Haares bedeckt waren.

Das National Astronomical Observatory begann 2010 mit der Entwicklung einer Röntgenbildgebungstechnologie für Hummeraugen und erzielte nach Jahren harter Arbeit endlich einen Durchbruch. Das Sichtfeld von Röntgenfokussierungsteleskopen, die mit anderen Methoden hergestellt wurden, entspricht in etwa der Größe des Mondes, von der Erde aus gesehen, während das Lobster Eye-Teleskop einen Bereich des Himmels abdecken kann, der etwa 1.000-mal so groß ist wie der Mond . Zwölf solcher Teleskope werden auf dem Satelliten Einstein Probe installiert, mit einem Sichtfeld, das etwa 10.000 Mal so groß ist wie der Mond.

03. Ein leistungsstarker Assistent für astronomische Beobachtungen

Das einzigartige Design des Satelliten Einstein Probe ermöglicht es ihm, eine große Zahl unvorhersehbarer astronomischer Röntgenereignisse im Universum zu erkennen, darunter auch Verschmelzungen zweier Neutronensterne, die Gravitationswellen erzeugen. Der Satellit Einstein Probe kann mit erdgebundenen Instrumenten zur Gravitationswellenerkennung wie LIGO zusammenarbeiten, um Gravitationswellenereignisse genau zu lokalisieren . Der Satellit Einstein Probe kann außerdem Röntgensignale erfassen, die von schwarzen Löchern ausgesendet werden, die Sterne einfangen, eine Zählung durchführen und schwarze Löcher im Universum lokalisieren sowie wissenschaftliche Fragen beantworten, etwa, ob schwarze Löcher im Universum häufig vorkommen.

Gravitationswellen und Schwarze Löcher sind die beiden strahlendsten Perlen in der Krone von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Daher ist die Benennung des Einstein Probe-Satelliten auch eine Hommage an den Wissenschaftsgiganten Einstein.

Der Einstein Probe-Satellit ist ein Satellit des strategisch führenden wissenschaftlichen und technologischen Sonderprojekts meines Landes in der Weltraumforschung. Die zuvor gestarteten Satelliten „Kuafu-1“, „Huiyan“, „Wukong“ und „Mozi“ gehören alle zur großen Familie der Weltraumforschungssatelliten. Mit Blick auf die Zukunft haben chinesische Wissenschaftler fünf große Fahrpläne für die Erforschung der Grenzen der Weltraumforschung geplant: „Extremes Universum“, „Wellen in der Raumzeit“, „Sonne-Erde-Panorama“, „Bewohnbare Planeten“ und „Weltraumforschung“. Damit wollen sie Chinas Stärke für das Verständnis der Geheimnisse des Universums einbringen.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Li Mingtao

Gutachter: Han Wenbiao (Forscher am Shanghai Astronomical Observatory, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.