今天是2022年6月15日，也是“慧眼”衛(wèi)星繞著地球飛行5周年的日子，按照設(shè)計(jì)它的壽命只有4年，可是由于它的運(yùn)行狀態(tài)一切正常，望遠(yuǎn)鏡各項(xiàng)性能依舊良好，科學(xué)成果絡(luò)繹不絕，所以科學(xué)家們召開(kāi)衛(wèi)星延壽會(huì)議，決定讓它再干兩年。目前衛(wèi)星平臺(tái)星載燃料完好如初，可以滿足多次軌道提升，預(yù)期“慧眼”衛(wèi)星還可以穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)年。
“慧眼”衛(wèi)星全稱是硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT）衛(wèi)星，是我國(guó)的第一顆X 射線天文衛(wèi)星，于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，帶著科學(xué)家們的殷殷期盼，飛向茫茫宇宙。它運(yùn)行在550km的近地圓軌道上，主要用來(lái)觀測(cè)研究黑洞、中子星、伽馬射線暴等等，它也是一架來(lái)之不易的太空望遠(yuǎn)鏡，從1993年項(xiàng)目提出，到衛(wèi)星項(xiàng)目立項(xiàng)，再到衛(wèi)星發(fā)射升空足足用了24年，可以說(shuō)它代表了中國(guó)空間天文的開(kāi)端，凝聚了幾代科學(xué)家的智慧和心血，背后是大批科學(xué)家的團(tuán)結(jié)合作以及默默奉獻(xiàn)和堅(jiān)守，其中有一位科學(xué)家，她就是我國(guó)高能天體物理奠基人、“中國(guó)的居里夫人”，對(duì)衛(wèi)星項(xiàng)目立項(xiàng)有著卓越貢獻(xiàn)的何澤慧院士，為了紀(jì)念她，大家給衛(wèi)星取名“慧眼”，希望這架空間望遠(yuǎn)鏡能像她的眼睛一樣慧眼如炬，穿過(guò)星際物質(zhì)的遮擋發(fā)現(xiàn)黑洞，尋找高能天體的美麗風(fēng)景。
(相關(guān)資料圖)
“慧眼”衛(wèi)星主要是通過(guò)觀測(cè)宇宙中天體輻射的X射線來(lái)實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，大家知道，X射線本質(zhì)上和可見(jiàn)光一樣都是電磁波，只不過(guò)X射線的波長(zhǎng)更短，如果用一臺(tái)普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)X射線天體源，則根本無(wú)法獲得X射線的圖像，為了解決這一難題，獲得X射線天體源的圖像，科學(xué)家們想了很多解決辦法。比如德國(guó)科學(xué)家沃爾特發(fā)明設(shè)計(jì)了掠射式鏡面，仍然采用光學(xué)成像原理，可以實(shí)現(xiàn)一定能量范圍的X射線聚焦，這其中的原理不難理解，如同站在湖邊打水漂一樣，一方面風(fēng)平浪靜的湖面更容易打出漂亮的水漂，另一方面選擇扁平的瓦片與湖面夾角越小越容易打出漂亮的水漂。掠射式鏡面能讓X射線反射聚焦的奧妙在于鏡面的粗糙度足夠低，同時(shí)X 射線入射時(shí)與鏡面的夾角足夠小。比如2012年美國(guó)發(fā)射的NuStar衛(wèi)星（Nuclear Spectroscopic Telescope Array）就實(shí)現(xiàn)了79千電子伏特的硬X射線聚焦成像，NuStar采用的鏡面由高密度材料和低密度材料反復(fù)重疊200層左右鍍成，每層厚度和表面粗糙度都達(dá)到了原子量級(jí)，工藝的一致性和穩(wěn)定性世間罕見(jiàn)。由于掠射式鏡面制作難度非常大，對(duì)一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平要求極高，國(guó)內(nèi)至今還無(wú)法制作出如此光滑而且反射如此高能量的X射線的鏡面。
面對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)制作工藝無(wú)法逾越的技術(shù)鴻溝，我國(guó)科學(xué)家在算法上另辟蹊徑，提出了直接解調(diào)成像法。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡就是隨著這個(gè)方法的提出應(yīng)運(yùn)而生的。20世紀(jì)90年代初，中科院高能物理所的李惕碚院士和吳枚研究員在不斷探索中找到了一種新的算法，即使無(wú)法實(shí)現(xiàn)聚焦，仍然可以有效地將解調(diào)之后的信號(hào)還原成圖像，這種方法被稱為直接解調(diào)技術(shù)，獲得了令人滿意的準(zhǔn)確度。調(diào)制就是掃描，李惕碚院士結(jié)合掃描探測(cè)技術(shù)與這種圖像處理技術(shù)，提出了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的概念，希望這種簡(jiǎn)單成熟的方法能彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)技術(shù)上的缺陷，對(duì)硬X射線源做成像觀測(cè)，得到天圖。
硬X射線指能量在20千電子伏特以上的X射線，而能量在10千電子伏特以下的，就被稱為軟X射線。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡只是沿用了最初的名字，其實(shí)早已不再局限于硬X 射線這一能段，它包含高能X射線望遠(yuǎn)鏡（HE，20-250 keV , 5100 cm2），中能X射線望遠(yuǎn)鏡（ME，8-35 keV, 952 cm2）和低能X射線望遠(yuǎn)鏡（LE，1-12 keV, 384 cm2），首次實(shí)現(xiàn)了1～250千電子伏特的能區(qū)覆蓋，有利于從不同能段來(lái)觀測(cè)和研究X射線天體的輻射機(jī)制。衛(wèi)星的現(xiàn)任首席科學(xué)家張雙南又創(chuàng)造性地添加了觀測(cè)伽馬暴的任務(wù)，使衛(wèi)星的能量覆蓋范圍在原來(lái)的基礎(chǔ)上又?jǐn)U大了10倍，到3兆電子伏特。當(dāng)然高能X射線探測(cè)器仍然是這顆衛(wèi)星有效載荷的核心組成部分。
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡雖然不能實(shí)現(xiàn)聚焦成像，但是得益于可行的技術(shù)和很好的算法。它有很多無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，比如：（1）能區(qū)寬，覆蓋1～250keV，有利于研究不同能段的X射線輻射機(jī)制。（2）探測(cè)面積大、信號(hào)多，對(duì)于同一個(gè)觀測(cè)天體源能發(fā)現(xiàn)更多的特性。（3）視場(chǎng)大、巡天快，它可以在兩天左右時(shí)間內(nèi)完成銀道面掃描。一般的鏡面望遠(yuǎn)鏡由于視場(chǎng)很小，掃描一片天區(qū)需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，所以一般只做定點(diǎn)觀測(cè)。（4）在觀測(cè)低能區(qū)時(shí)由于采用了先進(jìn)的CCD探測(cè)器，有效地避免了光子堆積，看很亮的源也不會(huì)亮瞎眼。（5）“死”時(shí)間短，丟失的光子比其他探測(cè)器少得多，探測(cè)效率更好。（6）不改變軟硬件的前提下，創(chuàng)新性的通過(guò)調(diào)整光電倍增管的工作高壓，增加了伽馬射線暴的觀測(cè)模式，拓展了觀測(cè)能區(qū)。
“慧眼”衛(wèi)星帶著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)上天在軌運(yùn)行5年，積累了豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)，也產(chǎn)出了一系列的重大科學(xué)成果。比如2020年4月28日，地球上兩臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡接收到了快速射電暴FRB200428的信號(hào)，就在此之前的8.6s“慧眼”衛(wèi)星探測(cè)到了宇宙中最強(qiáng)磁場(chǎng)的中子星SGR J1935+2154產(chǎn)生的一次X射線爆發(fā)，并利用其獨(dú)特的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)，以遠(yuǎn)高于射電觀測(cè)的精度定位了X射線暴與磁星SGR J1935+2154的位置一致，而8.6s的時(shí)間差正好與星際物質(zhì)對(duì)射電信號(hào)的延時(shí)相當(dāng)，確認(rèn)了快速射電暴起源于磁星爆發(fā)，破解了快速射電暴起源之謎，該成果于2022年2月19日，在線發(fā)表于國(guó)際期刊 Nature Astronomy （自然·天文學(xué)）?？焖偕潆姳﹣?lái)自磁星這一發(fā)現(xiàn)被英國(guó)《自然》和美國(guó)《科學(xué)》列入2020年十大科學(xué)突破。
“慧眼”衛(wèi)星還直接而且可靠地測(cè)量到了迄今宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)，大約是此前國(guó)際上測(cè)量到的最強(qiáng)磁場(chǎng)的兩倍，達(dá)到了大約10億特斯拉，是地球?qū)嶒?yàn)室產(chǎn)生的最強(qiáng)磁場(chǎng)的大約一億倍，該結(jié)果于2020年8月10日在國(guó)際著名期刊Astrophysical Journal letters（ApJL）（《天體物理學(xué)快報(bào)》）上發(fā)表。
“慧眼”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了距離黑洞最近的相對(duì)論噴流，該成果于2020年9月21日在線發(fā)表在《自然·天文學(xué)》上。
它還發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星中逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流（簡(jiǎn)稱冕），并首次在黑洞雙星中觀測(cè)到冕的速度演化，該成果于2021年2月15日，在線發(fā)表于 Nature Communications （《自然·通訊》）上。
它開(kāi)展了X射線脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，定位精度達(dá)到10公里之內(nèi)（3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），進(jìn)一步驗(yàn)證了航天器利用脈沖星自主導(dǎo)航的可行性，為未來(lái)在深空的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)論文于2019年8月21日在美國(guó)《天體物理雜志》（增刊）正式刊出。
2017年8月17日，還在在軌測(cè)試期間的“慧眼”衛(wèi)星幸運(yùn)地監(jiān)測(cè)到了全球首個(gè)雙中子星并和引力波事件，對(duì)其伽馬射線電磁對(duì)應(yīng)體在高能區(qū)（MeV，百萬(wàn)電子伏特）的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)。
“慧眼”衛(wèi)星完整探測(cè)到了第24太陽(yáng)活動(dòng)周最大耀斑的高能輻射過(guò)程，為理解太陽(yáng)高能輻射隨時(shí)間演化提供新的觀測(cè)結(jié)果，于2021年9月10日發(fā)表在美國(guó)《天體物理學(xué)》（The Astrophysical Journal）上。
“慧眼”衛(wèi)星首次清晰觀測(cè)到了黑洞雙星爆發(fā)過(guò)程的全景，揭示了黑洞雙星爆發(fā)標(biāo)準(zhǔn)圖像的產(chǎn)生機(jī)制，該成果發(fā)表于2021年7月1日發(fā)表于 The Astrophysical Journal Letters （《天體物理學(xué)快報(bào)》）上。
目前，它已經(jīng)在引力波伽馬暴、快速射電暴、黑洞和中子星等方向都做出了重要的貢獻(xiàn)，總共發(fā)表論文發(fā)表120多篇，論文被3500多篇文章引用。
“慧眼”衛(wèi)星的發(fā)射和它的研究成果為X射線天文學(xué)貢獻(xiàn)了中國(guó)力量，相信在未來(lái)，她一定不負(fù)眾望，為世界貢獻(xiàn)更多的科學(xué)成果。為了更好地研究宇宙中的極端天文現(xiàn)象，我國(guó)科學(xué)家提出了大型國(guó)際合作項(xiàng)目增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, eXTP），它是我國(guó)發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的，主要由歐洲包括意大利、德國(guó)、 瑞士、西班牙、法國(guó)等20多個(gè)空間天文發(fā)達(dá)國(guó)家的100多個(gè)研究院所參與，將載有中歐合作研制的四組高性能X射線天文儀器：能譜測(cè)量聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（Spectroscopy Focusing Array, SFA）、偏振測(cè)量聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列（Polarimetry Focusing Array, PFA）、大面積準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡陣列（Large Area Detector， LAD）、廣角監(jiān)視器（Wide Field Monitor），將實(shí)現(xiàn)大面積、高動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比的空間X射線“能譜-時(shí)變”與“時(shí)變-偏振”觀測(cè)；它是我國(guó)下一代旗艦級(jí)空間X射線天文臺(tái)，它的探測(cè)性能較“慧眼”有大幅提升，可以將宇宙看得更精細(xì)，更重要的是它會(huì)采用掠射式的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，讓我們拭目以待吧。
參考文獻(xiàn)：
1、《活捉黑洞》
標(biāo)簽： 宇宙奧秘
