科學研究 - 探索宇宙的奧祕，X射線人造衛星「XRISM」發射成功

9月7日，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在種島航太中心（鹿兒島）使用大型火箭「H2A」發射了用來捕捉因高能量而激烈變化宇宙現象的X射線天文人造衛星「XRISM」。該人造衛星是2016年因操作失誤而失落的「瞳」人造衛星的替代人造衛星，獲得了歐洲等的協助，是日美共同計劃的一環。透過測量吹向宇宙空間的高溫氣體「電漿」的成分和運動軌跡，有望闡明擁有100個以上銀河的「銀河團」的形成以及各種元素的誕生等。

X射線人造衛星「XRISM」的示意圖（供圖：JAXA）

「擔負物理可用能學廣泛隊形變換的重要環節」

古代人類用肉眼仰望星空，17世紀初首次用望遠鏡捕捉天體，由此利用可見光進行的天文觀測持續至今。到了20世紀，人類又利用廣播無線電、X射線、伽馬射線和紅外線等可見光以外的各種電磁波，發揮它們各自的特性來捕捉太空中的天體和現象。

X射線波長約爲0.01～1奈米（一奈米等於十億分之一米），是比可見光要短的電磁波之一。它們善於捕捉銀河團或質量大的恆星發生大爆炸後留下的超高密度恆星「中子星」，以及密度高得連光都無法逃脫的黑洞等伴隨着高能進行熾熱劇烈活動的天體和現象。X射線會被地球大氣層阻擋，所以要進行觀測就需要向太空發射人造人造衛星。XRISM 團隊表示，XRISM 是「一個向全世界開放的通用的X射線天文臺，它將促進在多個領域的天體物理可用能，併成爲擔負2020年代物理可用能學廣泛隊形變換的重要環節」。

XRISM的觀測設備。安裝了兩個望遠鏡，配有相機和光譜儀（微量熱儀）（供圖：JAXA）

XRISM人造衛星長約8米，開啟太陽能電池板後寬約9米，包括燃料在内重約 2.3噸。作爲觀測設備，在美國研製的兩臺收集X射線的望遠鏡上各安裝了一種感測器，包括一臺由日本製造的寬視野X射線照相機和一臺由日本、美國和歐洲聯合開發，可以詳細測量X射線能量的光譜儀。使用這些儀器可高精度地捕捉電漿中所含的元素和電漿的運動。這些觀測儀器的性能與之前失落的「瞳」號上搭載的相同。

相機的視野爲世界最大的38分角四方，比滿月還要寬。雖然這與我們日常使用的照相機相比並不算什麼，但在X射線天文人造衛星領域，它是繼「瞳」號之後有史以來最大的。

「XRISM」的專案經理前島弘則在7月份的新聞發佈會上說：「我們一直在研究如何做才能切實恢復到與瞳號人造衛星相同的水準。‘XRISM’裝載了非常具有挑戰性的設備。如果它能按地面測試的結果那樣運行的話，就能得到非常好的成果。希望它能夠切實工作」。

9月7日上午，透過H2A第47號火箭，「XRISM」與月球登陸器「SLIM」一起成功升空。在約96分鐘内的時間裏繞行高度約550公里的圓形軌道一週。設計壽命爲3年，屆時用於冷卻攝譜儀的液氦將耗盡。不過，之後也可以使用冷凍機繼續操作進行觀測。開發費用中，日本承擔的部分包括100億日元規模的發射費用在内，約爲277億日元。「XRISM」的名字是「X-ray Imaging and Spectroscopy Mission （X射線成像與光譜學任務）」的首字母縮寫，JAXA 將其譯作「X射線光譜成像人造衛星」。

有望解開銀河團的形成、元素的誕生等多個謎團

XRISM承擔的主要研究主題包括從銀河團的形成到各種元素的誕生等多種現象。

銀河團「MACS J0416」。由X射線與可見光、廣播無線電觀測影像所組合而成（供圖：美國國家航空太空局（NASA）、美國國家射電天文臺）

銀河團直徑達數千萬光年，是宇宙中最大的天體。其中看似沒有星系的空曠區域充滿了只能透過X射線探測到的高溫電漿。此外，還有一種將其阻擋在銀河團區域内的不明暗物質，並佔據了銀河團的大部分質量。然而，人們認爲電漿在發出X射線的同時應該會冷卻，隨着中心密度的增加，銀河團最終會在自身質量的作用下坍縮。但實際上並非如此，銀河團以某種方式在100億年的時間裏保持着穩定。此項研究的目的是透過XRISM詳細調查電漿的溫度和元素的運動情況來解開這個謎團。

現代科學認爲，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。緊接着溫度從超高溫狀態下降，質子和中介子開始反應，在幾分鐘内就產生了氘、氚、氦和微量的鋰等輕元素的原子核。另一方面，氧、氮、硅和金屬之類相對較重的元素似乎在更晚的時候才形成，例如在恆星及其終極形態的「超新星爆炸」中產生。用XRISM對超新星爆炸的殘留物進行檢測，以確定元素的比例及其散布方式。透過這種方式，則能瞭解元素的合成程序、產生這些元素的恆星以及超新星爆炸。

XRISM的科研帶頭人、首席研究員田代信在新聞發佈會上說：「一般認爲，比鐵重的元素是在超新星爆炸等強能量現象中產生的，但我們對它們的瞭解仍然知之甚少。我們希望找出是什麼產生了各種元素，以及它們是以什麼速度擴散的。雖然一兩次觀測無濟於事，但希望能對我們的理解做出重大貢獻」。

研究團隊還將精確測量氣體落入黑洞前的能量，研究時間結構，並估算黑洞的自轉半徑。同時還將探究被稱爲噴流的高速氣體是如何從本應連光都能吞噬的黑洞中噴出的這一謎團。

「瞳」事故發生後，採取了多項防止重犯措施

「瞳」的示意圖（供圖：JAXA）

日本自1979年發射「天鵝」號以來，已經全力運行了六顆X射線天文人造衛星。最近的一顆名爲「瞳」的人造衛星於2016年2月發射升空，但僅僅在一個多月後的初始運行期間，就出現了無法彌補的錯誤。首先，用於監測引擎體姿態的一個感測器停止工作，導致其在明明沒有旋轉時誤判自己正在旋轉，爲試圖停下來而開始向後旋轉。爲了保存引擎體，控制中心起動了姿態控制發動機，但在此程序中，從地面手動輸入了錯誤的指令資訊，負值沒有轉換成絕對值便發出，反而加速了旋轉。

在這些不利因素的共同作用下，瞳的機身結構再也無法承受高速旋轉，最終四分五裂。太陽能電池板和其他太陽能電池模組被認爲在底部被撕裂。不嚴謹的操作導致失去了這顆剛剛發射的人造衛星。當時JAXA的報告中說，「觀測儀器的開發和資料觀測被放在了優先位置，人造衛星安全運行工作被放在了次要位置」。

XRISM是爲防止瞳的故障再次發生而重新研製的的替代人造衛星，也是日本發射的第七顆X射線天文人造衛星。

防止再次發生故障的主要措施包括：（1）在姿態控制引擎異常點火時，停止飛行器旋轉的功能；（2）可及早發現飛行器資料異常的自動監視系統；（3）在姿態變化超出預期時自主轉入安全模式的機制；（4）監測發電量並在發電量低於預期時自主轉入安全模式的機制；（5）當地面接收到超出有效範圍的錯誤指令時不執行的功能。這一系列措施解決了瞳曾經出現過的所有問題。

開發體制也發生了變化。瞳是由美國國家航空太空局（NASA）負責提供機載設備，此次改爲美日聯合專案。另外，瞳的專案負責人是專門從事高能天體物理可用能學研究的科學家。而在XRISM專案中，是由具有系統工程知識的前島先生負責，由田代先生擔任科研負責人。此外，還任命了一名與科研負責人平級的技術開發負責人。前島先生解釋說：「我們敢於尋求科學與工程之間的意見衝突，並構建了一個不偏重科學，可安全地實施（操作）的系統」。

滿懷激情……這次一定要完成任務

X射線天文人造衛星XRISM。拍攝於8月21號在鹿兒島縣南種島町的種島宇宙中心（供圖：JAXA）

另外，由於失去了瞳，JAXA最初把後來成爲XRISM的人造衛星稱爲「替代人造衛星」，但不久後開始稱其爲「後繼人造衛星」。針對這一點，在回答記者提問時，前島先生解釋說：「起初我們稱它爲替代人造衛星，但在開發初期，我們與NASA進行了磋商，並表示‘繼續操作稱它爲替代人造衛星有些消極了，讓我們給它起個新名字吧’，於是把它命名爲了XRISM」。

筆者極爲讚賞這種積極的思考方式。但是，由於瞳在初期運作階段就毀壞了所以才需要XRISM，以及其觀測設備的性能與瞳相當，加之傾注了「此次一定要爲完成任務」的強烈願望，因此筆者覺得稱其爲瞳的「替代人造衛星」似乎更爲恰當。當然這個看法也並非就一定是正確答案。

歐洲在日本和美國的參與下，也計劃在2030年代後半建造一個超大型X射線太空望遠鏡「雅典娜」。首先，XRISM將觀測附近的銀河團，然後把結果傳給可捕捉更遠銀河團的雅典娜。XRISM將成爲雅典娜的「領航員」。捕捉炙熱宇宙的熱情將如何在科學中結出碩果，讓我們拭目以待。