科学目标及意义

星系形成与演化是天体物理前沿热点之一。美国科学院上个天文十年规划列出了19个重大问题,4个直接涉及星系,9个与星系和大尺度的结构、形成和演化有密切联系。基金委2011-2020天文学科发展战略也指出“星系宇宙学”和“银河系”两个优先发展方向。这些都显示出该方向举足轻重的地位。得益于国际上在观测设备等方面的投入,该领域几年来发展迅速,取得了很多突破性的进展。但是,有些关键的核心科学问题至今却仍不清楚,主要有以下两个:一是标准的宇宙学理论预言的重子物质和金属比观测上实际发现的要多很多,那么,是否是理论有问题?理论正确的话,这些“缺失”的重子和金属在哪里?他们在宇宙中是如何分布的?

第二个关键问题是星系形成与演化方面的。观测发现,星系中心的超大质量黑洞与星系核球之间具有非常好的相关性。黑洞的尺度要比星系尺度小接近10个量级,为何尺度上相差如此巨大的两者之间存在这么好的相关性?另外一个相关问题是,宇宙学框架下的星系形成理论预言的星系的数目,除了对于中等质量的星系与观测一致外,观测到的大质量星系与小质量星系数目都要比预言的少很多,原因是什么?

针对上述两个疑难问题,理论家利用大规模数值模拟、解析等方法进行了大量的研究。针对第一个问题,几乎所有研究都得出了类似的结论:一部分“缺失”的重子物质分布在大尺度纤维状结构的热气体中,另一部分则分布在星系周围的环星系介质以及热晕里。最近Planck卫星探测到了弥漫热气体对微波背景辐射的扰动(所谓的Sunyaev-Zeldovic或SZ效应),也验证了星系际及星系周热气体的存在,表明理论模型在定性层面是正确的,但在定量层面上有着非常大的不确定性,这对我们理解宇宙大尺度结构形成和演化形成了极大的障碍。

针对第二个问题,理论研究几乎都认为解决问题的关键是“反馈过程”。这包括星系中心的活动星系核以及超新星爆发产生的辐射与物质外流与星系中的星际介质气体之间的相互作用,这些相互作用影响了星系中气体的温度和密度值以及它们的空间分布,进而影响了恒星形成和星系的演化。比如,活动星系核以及超新星爆发产生的携带者巨大能量的风可能会把星系中的气体和金属吹到星系外部的环星系介质甚至星系际介质中,这样星系内的恒星形成就会被抑制。

对上述理论猜想的观测检验显然至关重要,但是目前都很欠缺。实际上,我们可以看到,对重子物质缺失以及对反馈这两个科学问题的观测研究是密切相关的,两者都需要对大尺度纤维状结构的热气体、星系周围的环星系介质、热晕中以及星系内部的热气体的温度、密度、金属丰度、运动学状态等方面的详细观测。他们的辐射一般集中在软X射线波段,但是,由于在此波段缺乏观测能力,大部分这类热气体至今还未被直接观测到。现有X射线观测通过获取了比较亮的背景活动星系核吸收谱,测量吸收线,间接地揭示了热气体的存在,但观测还仅限于几个视线方向。探测这些热气体并研究他们的空间分布、物理和化学性质、解决重子物质的缺失以及深刻理解反馈过程对星系演化影响即是我们提出的HUBS卫星的核心科学目标。

本项目(简称 HUBS)将围绕着“宇宙重子缺失”重大科学问题,通过研制发射卫星及大视场、高效率、高分辨X 射线成像和光谱观测手段,探测宇宙大尺度纤维状结构及星系周物质分布, 致力于发现宇宙中“缺失”的物质的空间分布及其物理与化学性质,以取得完善星系形成与演化理论的突破性成果,具有的重要意义,并引领“以我为主”的国际大科学计划。与此同时,填补国内在超导转变边缘微量能器、极低温制冷、大视场 X 射线聚焦等先进技术领域的空白。

从国际长期空间规划来看,在未来的至少 20-25 年内,只有欧空局已立项(计划于2028 年发射)的 Athena 卫星配备了一台高分辨率成像光谱仪(X-IFU),但其视场非常小(大致5x5平方角分),不适合用来观测空间大尺度分布的热气体(也不是它的核心科学目标)。X-IFU 可以用来做一些尝试性的相关工作,但它的灵敏度需要提高至少一个数量级才可能在宇宙重子缺失问题上取得实质性进展,这为中国强力推动天体物理及宇宙学前沿研究提供了一个契机。HUBS 将聚焦于“宇宙重子缺失”重大科学问题,与 Athena 卫星在核心科学目标及观测能力两方面形成互补。HUBS 的大视场(大致一个平方度)也将大大推动其它高能天体物理中许多其它前沿科学问题的研究,包括宇宙软 X 射线弥漫背景辐射的起源、超新星遗迹的物理及化学性质、活动星系核对星系演化的影响、活动恒星的特性、太阳风与地球周物质电荷转移辐射过程等。



初步设计

本项目将建立在与国内外相关高校及研究所合作的基础上,充分发挥各单位在相关科学及关键技术领域的优势。从起初核心科学目标和技术需求的小规模讨论,到 2016 年 7 月份在清华举行的专题研讨会,再到 2017 年 6 月底在清华召开的第一次合作会议(共有国内外 20 所高校和研究所参加,包括来自美国、荷兰及日本的代表),本项目的科学目标和技术需求逐渐清晰。本项目将由一颗卫星组成,具体卫星科学载荷及轨道的技术指标初步定义如下:



关键技术

HUBS 关键技术包括:超导 X 射线微量能器、超导信号读出电子学、低振动及长寿命干式(无液氦)机械制冷及大视场 X 射线聚焦光学,将分别由清华大学、上海微系统所、理化所及同济大学牵头研发工作。这些单位在各自领域已具备坚实的技术基础及成熟的国际合作。HUBS 所需指标要求各关键技术都能达到现在的国际先进水平,所以技术挑战性很高。卫星平台将由上海航天八院负责研发。



时间表

对星系际及星系周热介质的研究,HUBS 将提供现有设备无法提供的观测数据,希望解开“宇宙重子缺失”之谜,从而突破性地推动星系形成与演化理论的完善。本项目大致可以分为四个阶段:关键技术预研(2018-2020)、 关键技术深化研究(2020-2025)、工程立项(2025-2030)和卫星发射及运行(2030-)。