科创中国

       作者：刘红薇

       今天是2022年6月15日，也是“慧眼”卫星绕着地球飞行5周年的日子，按照设计它的寿命只有4年，可是由于它的运行状态一切正常，望远镜各项性能依旧良好，科学成果络绎不绝，所以科学家们召开卫星延寿会议，决定让它再干两年。目前卫星平台星载燃料完好如初，可以满足多次轨道提升，预期“慧眼”卫星还可以稳定运行数年。

       “慧眼”卫星全称是硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT）卫星，是我国的第一颗X 射线天文卫星，于2017年6月15日在酒泉卫星发射中心，带着科学家们的殷殷期盼，飞向茫茫宇宙。它运行在550km的近地圆轨道上，主要用来观测研究黑洞、中子星、伽马射线暴等等，它也是一架来之不易的太空望远镜，从1993年项目提出，到卫星项目立项，再到卫星发射升空足足用了24年，可以说它代表了中国空间天文的开端，凝聚了几代科学家的智慧和心血，背后是大批科学家的团结合作以及默默奉献和坚守，其中有一位科学家，她就是我国高能天体物理奠基人、“中国的居里夫人”，对卫星项目立项有着卓越贡献的何泽慧院士，为了纪念她，大家给卫星取名“慧眼”，希望这架空间望远镜能像她的眼睛一样慧眼如炬，穿过星际物质的遮挡发现黑洞，寻找高能天体的美丽风景。

       “慧眼”卫星主要是通过观测宇宙中天体辐射的X射线来实现科学目标，大家知道，X射线本质上和可见光一样都是电磁波，只不过X射线的波长更短，如果用一台普通的光学望远镜对准X射线天体源，则根本无法获得X射线的图像，为了解决这一难题，获得X射线天体源的图像，科学家们想了很多解决办法。比如德国科学家沃尔特发明设计了掠射式镜面，仍然采用光学成像原理，可以实现一定能量范围的X射线聚焦，这其中的原理不难理解，如同站在湖边打水漂一样，一方面风平浪静的湖面更容易打出漂亮的水漂，另一方面选择扁平的瓦片与湖面夹角越小越容易打出漂亮的水漂。掠射式镜面能让X射线反射聚焦的奥妙在于镜面的粗糙度足够低，同时X 射线入射时与镜面的夹角足够小。比如2012年美国发射的NuStar卫星（Nuclear Spectroscopic Telescope Array）就实现了79千电子伏特的硬X射线聚焦成像，NuStar采用的镜面由高密度材料和低密度材料反复重叠200层左右镀成，每层厚度和表面粗糙度都达到了原子量级，工艺的一致性和稳定性世间罕见。由于掠射式镜面制作难度非常大，对一个国家的工业水平要求极高，国内至今还无法制作出如此光滑而且反射如此高能量的X射线的镜面。

       面对当时国内制作工艺无法逾越的技术鸿沟，我国科学家在算法上另辟蹊径，提出了直接解调成像法。硬X射线调制望远镜就是随着这个方法的提出应运而生的。20世纪90年代初，中科院高能物理所的李惕碚院士和吴枚研究员在不断探索中找到了一种新的算法，即使无法实现聚焦，仍然可以有效地将解调之后的信号还原成图像，这种方法被称为直接解调技术，获得了令人满意的准确度。调制就是扫描，李惕碚院士结合扫描探测技术与这种图像处理技术，提出了硬X射线调制望远镜的概念，希望这种简单成熟的方法能弥补国内技术上的缺陷，对硬X射线源做成像观测，得到天图。

       硬X射线指能量在20千电子伏特以上的X射线，而能量在10千电子伏特以下的，就被称为软X射线。硬X射线调制望远镜只是沿用了最初的名字，其实早已不再局限于硬X 射线这一能段，它包含高能X射线望远镜（HE，20-250 keV , 5100 cm²），中能X射线望远镜（ME，8-35 keV, 952 cm²）和低能X射线望远镜（LE，1-12 keV, 384 cm²），首次实现了1～250千电子伏特的能区覆盖，有利于从不同能段来观测和研究X射线天体的辐射机制。卫星的现任首席科学家张双南又创造性地添加了观测伽马暴的任务，使卫星的能量覆盖范围在原来的基础上又扩大了10倍，到3兆电子伏特。当然高能X射线探测器仍然是这颗卫星有效载荷的核心组成部分。

       硬X射线调制望远镜虽然不能实现聚焦成像，但是得益于可行的技术和很好的算法。它有很多无法比拟的优势，比如：（1）能区宽，覆盖1～250keV，有利于研究不同能段的X射线辐射机制。（2）探测面积大、信号多，对于同一个观测天体源能发现更多的特性。（3）视场大、巡天快，它可以在两天左右时间内完成银道面扫描。一般的镜面望远镜由于视场很小，扫描一片天区需要花费很长的时间，所以一般只做定点观测。（4）在观测低能区时由于采用了先进的CCD探测器，有效地避免了光子堆积，看很亮的源也不会亮瞎眼。（5）“死”时间短，丢失的光子比其他探测器少得多，探测效率更好。（6）不改变软硬件的前提下，创新性的通过调整光电倍增管的工作高压，增加了伽马射线暴的观测模式，拓展了观测能区。

       “慧眼”卫星带着独特的优势上天在轨运行5年，积累了丰富的科学数据，也产出了一系列的重大科学成果。比如2020年4月28日，地球上两台射电望远镜接收到了快速射电暴FRB200428的信号，就在此之前的8.6s“慧眼”卫星探测到了宇宙中最强磁场的中子星SGR J1935+2154产生的一次X射线爆发，并利用其独特的准直器设计，以远高于射电观测的精度定位了X射线暴与磁星SGR J1935+2154的位置一致，而8.6s的时间差正好与星际物质对射电信号的延时相当，确认了快速射电暴起源于磁星爆发，破解了快速射电暴起源之谜，该成果于2022年2月19日，在线发表于国际期刊 Nature Astronomy （自然·天文学）。快速射电暴来自磁星这一发现被英国《自然》和美国《科学》列入2020年十大科学突破。

       “慧眼”卫星还直接而且可靠地测量到了迄今宇宙最强磁场，大约是此前国际上测量到的最强磁场的两倍，达到了大约10亿特斯拉，是地球实验室产生的最强磁场的大约一亿倍，该结果于2020年8月10日在国际著名期刊Astrophysical Journal letters（ApJL）（《天体物理学快报》）上发表。

       “慧眼”卫星发现了距离黑洞最近的相对论喷流，该成果于2020年9月21日在线发表在《自然·天文学》上。

       它还发现了黑洞双星中逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流（简称冕），并首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化，该成果于2021年2月15日，在线发表于 Nature Communications （《自然·通讯》）上。

       它开展了X射线脉冲星导航实验，定位精度达到10公里之内（3倍标准偏差），进一步验证了航天器利用脉冲星自主导航的可行性，为未来在深空的实际应用奠定了基础，相关论文于2019年8月21日在美国《天体物理杂志》（增刊）正式刊出。

       2017年8月17日，还在在轨测试期间的“慧眼”卫星幸运地监测到了全球首个双中子星并和引力波事件，对其伽马射线电磁对应体在高能区（MeV，百万电子伏特）的辐射性质给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献。

       “慧眼”卫星完整探测到了第24太阳活动周最大耀斑的高能辐射过程，为理解太阳高能辐射随时间演化提供新的观测结果，于2021年9月10日发表在美国《天体物理学》（The Astrophysical Journal）上。

       “慧眼”卫星首次清晰观测到了黑洞双星爆发过程的全景，揭示了黑洞双星爆发标准图像的产生机制，该成果发表于2021年7月1日发表于 The Astrophysical Journal Letters （《天体物理学快报》）上。

       目前，它已经在引力波伽马暴、快速射电暴、黑洞和中子星等方向都做出了重要的贡献，总共发表论文发表120多篇，论文被3500多篇文章引用。

       “慧眼”卫星的发射和它的研究成果为X射线天文学贡献了中国力量，相信在未来，她一定不负众望，为世界贡献更多的科学成果。为了更好地研究宇宙中的极端天文现象，我国科学家提出了大型国际合作项目增强型X射线时变与偏振空间天文台（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, eXTP），它是我国发起并领导的，主要由欧洲包括意大利、德国、 瑞士、西班牙、法国等20多个空间天文发达国家的100多个研究院所参与，将载有中欧合作研制的四组高性能X射线天文仪器：能谱测量聚焦望远镜阵列（Spectroscopy Focusing Array, SFA）、偏振测量聚焦望远镜阵列（Polarimetry Focusing Array, PFA）、大面积准直型望远镜阵列（Large Area Detector， LAD）、广角监视器（Wide Field Monitor），将实现大面积、高动态范围、高信噪比的空间X射线“能谱-时变”与“时变-偏振”观测；它是我国下一代旗舰级空间X射线天文台，它的探测性能较“慧眼”有大幅提升，可以将宇宙看得更精细，更重要的是它会采用掠射式的望远镜技术，让我们拭目以待吧。

       参考文献：

       1、《活捉黑洞》

       特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。