10月31日，中国科学院牵头研制的空间科学卫星——爱因斯坦探针（EP）卫星完成在轨交付，并正式命名为“天关”卫星。这一命名不仅承载着深厚的文化内涵，也彰显了我国在天文学领域的悠久历史。
我国是世界上最早开展暂现天体观测的国家之一，自汉代起就有对新星和超新星（古代称为“客星”）爆发的详细记载。其中，最为人所熟知的是公元1054年北宋司天监观测到的超新星爆发，它位于金牛座ζ星也是中国的“天关”星官位置附近，因此得名“天关客星”。近千年后的今天，我们依然能够目睹那颗恒星死亡后留下的壮丽遗迹——“蟹状星云”。蟹状星云在X射线波段的亮度和稳定性使其成为天文学家测量宇宙中其他X射线源辐射能量的标准参照物。“天关客星”的观测记录，为超新星、超新星遗迹和恒星演化的研究提供了跨越近千年的宝贵观测数据，这是中国古代天文学对世界天文学发展的重要的贡献之一，在中国天文学史上留下了浓墨重彩的一笔。
“天关”卫星的科学目标是发现和研究包括超新星在内的暂现天体。以“天关”命名此卫星，既是为了纪念中华文明对世界天文学的贡献，展现我们的民族文化自信，也是为了激励中国科学家在人类探索宇宙的伟大征程中，贡献新的中国发现、中国创新和中国智慧。
“天关”卫星艺术图。
浩瀚而神秘的宇宙看似静谧，实际上不时上演着一场又一场惊心动魄的“焰火”秀——天体的辐射爆发，这些壮观的宇宙现象源于天体所蕴藏的巨大能量的突然释放，他们被称为“暂现天体”。暂现天体产生于宇宙天体的极端物理环境和过程，对理解天体的起源和演化具有重要科学意义，也是探索极端条件下基本物理规律的天然实验室。暂现天体出没无常，有的稍纵即逝，普通的天文望远镜视野较小，难以捕捉。要探测暂现天体，要求望远镜观测视场越大越好。因为爆发能量极高，暂现天体往往辐射出高能的 X 射线。因此在X射线的天空，宇宙的焰火更为丰富多彩。为了克服地球大气对 X 射线的阻挡，人类只能将望远镜能放到外太空进行观测。
此前对X 射线天空的监视主要是由国外的空间设备开展的，且都已经运行了 15-20 年之久。受限于探测灵敏度和空间分辨率，只能探测明亮的暂现天体，包括银河系内中子星和黑洞的耀发和银河系外的伽马射线暴。但天文学家们相信，它们仅仅是丰富多样的宇宙暂现源族群的冰山一角。尽管其他类型的暂现天体为数众多，但更为暗弱和遥远，现有设备探测不到，只能寄希望于灵敏度和分辨率更高的新一代 X 射线全天监视器。
2024年1月9日在西昌卫星发射中心成功发射的“天关”卫星，就是新一代设备中的世界首个，至少在未来 5年内是唯一的一个。“天关”和中国科学院承载了国际天文界对探索动态宇宙的新纪元的梦想和期望。“天关”搭载有两台X射线望远镜：一台宽视场X 射线望远镜（WXT），由12个采用自主创新技术的龙虾眼望远镜组成，用以开展大视场巡天监测，发现暂现天体；另一台后随X 射线观测望远镜（FXT），由两套更加灵敏、更高精度的窄视场望远镜组成，以对新发现的暂现源开展更为准确和精细的 X 射线光谱、光变和定位测量。“天关”共搭载了 14 台 X 射聚焦成像线望远镜，是一个名副其实的空间X 射线天文台。目前，“天关”已经顺利完成为期半年多的在轨测试和仪器定标任务。测试结果表明，“天关”仪器和卫星的性能卓越，达到甚至部分超过设计指标。相比国际上现有的 X 射线监视器，“天关”的探测灵敏度和空间分辨率提高了一个多数量级，探测波段延伸至软 X 射线这一新的观测窗口。这些国际领先的探测指标赋予“天关”在时域天文学领域具有做出重要科学发现的潜力。
至今，在测试定标和运行初期阶段，“天关”已经取得首批令人惊喜的科学成果。“天关”已经探测到 60 例确定的暂现天体，上千例暂现天体候选体，480 多例恒星耀发，向国际天文界发送100多条天文警报，引导了国际上地面和空间多波段各种设备（包括大型望远镜）的后随跟踪观测。“天关”所探测到的X射线暂现天体种类丰富，辐射持续时标覆盖了从 10 秒到几个月的跨越 6 个量级。
先看我们的银河系。“天关”发现了多例新的暂现源。其中EP240904a很可能是一个新的黑洞候选体或中子星（论文准备中）。发现了位于双星系统中的多个新的中子星和白矮星。并监测到多个已知黑洞、中子星和白矮星双星系统的爆发个已知的黑洞、中子星和白矮星双星系统的爆发，并向全球发布了预警。此外，“天关” 探测到太阳系邻近的480 多例恒星耀发，其中20 多例为爆发峰值光度与太阳总光度量级相当或更高的超级耀发。可以预期，在运行1-2 年后，“天关”探测的恒星X 射线耀发事例将超过以往所有卫星探测数目的总和。此外，“天关” 探路者 LEIA还捕捉到迄今持续时间最长、耀发能量最大的极端恒星耀发事件LXT221107a（论文已投稿）。
我们将视野延伸到银河系周围的近邻星系。在小麦哲伦云里，“天关”探测到一个新的爆发源，研究表明其产生于一个非常罕见的白矮星与 Be 星组成的双星系统（论文已投稿）。“天关”也探测到近邻星系中几例已知天体的X 射线耀发。
在离4.5亿光年的之外宇宙，“天关”发现到一例正在发生的黑洞潮汐撕裂吞噬恒星事件EP240222a。联合“天关”及多个空间和地面望远镜的大量多波段后随观测的研究，我们发现该黑洞质量在几万到 10 万太阳质量之间，属于理论预期存在但观测上难以探测到的中等质量黑洞。实现了我国自主天文观测设备在发现该类事件上的“零的突破”，也展示了“天关”在该领域的巨大潜力（论文已投稿）。
在更加遥远的宇宙，“天关”探测到了约 40 例银河系外快速暂现天体，持续时间为从 10 秒到天量级。其中一部分伴随有与之成协的伽马射线暴，而其它大部分则没有伽马射线。其中一些仍可能是伽马射线暴，只是伽马射线相对偏弱，例如第一例 “天关”暂现源 EP240219a（论文即将发表）。而另一些的物理本质尚有待深入研究。“天关” 探路者 LEIA也实时捕捉到另一个重要的快速暂现源LXT230307a，很可能是来自罕见的双中子星并合所产生的一个具有强磁场和高速自转的大质量中子星的X 射线辐射（论文已被国家科学评论情况接收）。“天关”的另一个重要发现，是在距离约55亿光年之外的暂现源EP240414a中，首次发现的一类与大质量恒星塌缩相关的新型的喷流辐射（论文已投稿）。
迄今“天关”探测到的最遥远的暂现天体，是来自256亿光年（红移4.86）之外的伽马射线暴EP240315a。它产生于不到宇宙现有年龄十分之一的时期。“天关”的观测表明，在大质量恒星塌缩形成黑洞之后，相对论性喷流的产生比原来仅仅基于伽马射线观测得到的时间要更早，而且辐射持续时间比伽马射线长一个量级。这一发现为进一步理解恒星塌缩产生黑洞及相对论性喷流的物理过程提供了新的视角。对EP240315a及其他快速暂现源的发现表明，“天关”打开了一个研究伽玛暴物理的新窗口。即使将EP240315a的距离外推至更遥远的红移7.5（宇宙现有年龄的5%），也能够被 “天关”探测到， 这显示了“天关”的高灵敏度具有探测研究早期宇宙及其恒星形成演化的能力（即将发表于“自然-天文”）。
“天关”具有发现新类型暂现源的潜力，目前研究发现了几例奇特的、难以用已知暂现源类型解释的天体。2024年4月8日， “天关”发现一例暂现天体EP240408a，并探测到其X 射线伴随有一次强烈（增亮300 倍）和短暂（持续12 秒）的爆发。该天体X 射线在持续了 10 天左右之后消失，而整个过程中没有伴随相应明亮的其他任何波段的辐射。10天量级的中等时标在暂现源中非常少见，而EP240408a的光谱和光变性质与迄今所观测到的任何一类已知天体均不完全相符，有可能是一类未知的暂现源类型。这一发现对丰富我们对宇宙中的暂现源族群和极端物理过程具有重要意义。这一中国科学家用自主研制的空间卫星做出的发现，作为“天关”团队的首篇正式发表的科学论文，于北京时间10月30日，由中国专业科学期刊《中国科学：物理学 力学 天文学》（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）在线发表，以此彰显在人类在探索宇宙的征程中的中国贡献，以及中国人的创新精神。EP240408a的发现也标志着“天关”在揭示动态宇宙奥秘中迈出了重要的第一步。
在中国古代，新出现的星星，如彗星、新星或超新星被称为“客星”。EP240408a（天球坐标系158.85，-35.75）位于南天的唧筒座（Antlia）附近，在古代星图上处于南方朱雀七宿的天区范围内，因此我们将EP240408a命名为“南方朱雀客星”。
中国科学期刊封面图。
除了暂现天体以外，强大的探测能力使得“天关”的探测目标非常广泛。“天关”已经探测到的天体还包括我们所在的太阳系内的月球、木星和土星、太阳系邻近恒星、银河系和近邻星系中的致密天体和超新星遗迹、一直到遥远星系中的超大质量黑洞和相对论性喷流、星系团等等。
作者简介 /
包聪颖，国家天文台“天关”卫星科学运行办公室主任。
袁为民，国家天文台研究员，中科院空间科学卫星“天关”卫星首席科学家，中欧联合科学团队负责人。国家天文台高能天体物理团组首席研究员。研究领域为高能天体物理和X射线天文学，研究方向为黑洞天体物理、暂现和爆发天体、多信使天体物理的观测研究。利用我国自主研发的时域天文 X 射线卫星天关开展黑洞、引力波电磁对应体和高能暂现/爆发天体的观测研究。
