“龙虾眼" 成像仪可探测软X射线辐射

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集成仪器原型，前面是光学组合件，背面是电子设备盒。图片来源：NASA

太阳风可以加剧近地空间的危险天气事件，从而危害卫星等空间资产。为此，一个大型的跨学科研究团队，在美国国家航空航天局的带领下研制出了一种能够探测太阳风遇到中性气体所产生的的软X射线辐射的宽视场软X射线辐射成像仪。

在本周由美国物理联合会出版的期刊《科学仪器评论》中，围绕“龙虾眼光学”和成像仪在未来宇宙探索中的应用，研究者们论述了如何制作和启用该成像仪。

该成像仪的设计灵感源自十年前堪萨斯大学（the University of Kansas）的 Tom Cravens 和Ina Robertson创立的模拟模型，他们证实了太阳风和地球磁层残余大气之间的相互作用可以通过软X射线成像，这两位科学家现已参与了这项工作。

在太阳的表面，离子风连续不断地吹过所有纬度和经度—它们占据了整个日光层并与中性气体相互作用。这种太阳风主要是由质子组成，同时也包含大量高电荷态重离子。当这些离子与气体相互作用时，彼此间会发生电荷互换反应，得到处于激发态的电子，从而导致高电荷态离子放射软X射线光子。

而该成像仪用来探测的正是这一类软X射线辐射。

什么是“龙虾眼”？

"龙虾眼"光学器件是一种聚焦软X射线的光学元件，由英国的University of Leicester和法国的Photonis Corp.共同研发，其灵感来源于生物界中龙虾眼睛独特的结构形式。

该光学元件是由“一系列边长为20微米的方型玻璃孔，弯曲排布成半径为75厘米的部分球面而形成”，Michael R. Collier解释说，他是美国宇航局Goddard太空飞行中心(NASA's Goddard Space Flight Center) 的天体物理学家，也是论文的第一作者。“我们所设计的成像仪，其工作原理和龙虾的眼睛相同，因此而得名，它能将软X射线的光子聚焦到位于球面半径一半的平面上。”

在太空中使用这样的宽视场成像仪，其意义何在？“它将带我们进一步了解地球表面太阳风和磁层的成像能力，”Collier说。“这也是将一种理论，也就是关于该物理现象的所有计算和模拟，成功转换成一种有用的科学能力的例子。”

为此，太阳风与地球磁层相互作用的全球成像将使得追踪流入大气的能量和动量成为可能。“地球附近危险天气事件的能量都来源于太阳风，所以这种成像能力使得我们能更好地保护空间资产--特别是与地球同步运行的航天器，比如那些携带手机信号的航天器，”他补充说。

在应用方面，欧洲航天局和中国科学院正在为一个项国际合作项目“太阳风--磁层相互作用全景成像卫星计划（Solar Wind Magnetosphere lonosphere Link Exporer)”，也叫SMILE项目制定方案，其中将包括具有龙虾眼光学特点的宽视场软X射线成像仪。“这次任务的目的是获得太阳风和磁层相互作用的全球影像—目前有还有待实现，”Collier说。

研究团队下一步的计划是什么呢？“这些软X射线能够在太阳系中太阳风遇到中性气体的任何地方被观察到--包括地球，月球，火星，金星，和彗星，”Collier强调。“因此，我们将继续探索这项技术在其他行星上执行任务的可行性。”（美国物理联合会 张铮铮）