中華“慧眼”觀測能力有多強？

　 ——解讀硬X射線調制望遠鏡衛星

硬X射線調制望遠鏡衛星結構示意圖

　　茫茫天宇間，在軌運行的航天器“中國方陣”中，除了天舟一號貨運飛船、天宮二號空間實驗室等之外，還有一顆近日發射升空的新衛星——硬X射線調制望遠鏡衛星（HXMT）。與其他航天器相比，這顆重約2.5噸，在距地面550公里的軌道上運行的衛星看起來其貌不揚，卻引起了國際媒體的高度關注。英國《金融時報》稱，這顆衛星的發射是中國在發展可與美俄匹敵的太空計劃的征程中邁出的重要一步。

　　硬X射線調制望遠鏡衛星的使命是什么？它裝備了哪些高精尖的科學載荷？與同類衛星相比它有哪些突出的特點？它將為人類認識太空作出怎樣的貢獻？人們亟待了解這些問題的答案。

　　繪高精度硬X射線天圖

　　硬X射線調制望遠鏡衛星雖然被冠以中國“慧眼”的雅稱，但是對很多人來說，它似乎不怎么接地氣，讓人們在感到“高大上”的同時，也有幾分拒人千里之外的“冰冷感”。這也難怪，現代天文學科技本身就距離人們的生活頗為遙遠，再加上該詞又是由英語直譯而來，想讓人親近真的不容易。而要去除“冰冷感”，就要先熟悉兩個概念：“硬X射線”和“調制”。

　　“硬X射線”是X射線的一種。對X射線，我們是熟悉的，在醫院拍攝透視片，在各類安檢中，都接觸過它。根據波長，它被分為兩類：波長較短（能量較高）的稱為硬X射線，波長較長的稱為軟X射線。可見，這里的“軟”“硬”僅是用于分類表述而已。一些天體或天體現象如脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等都會射出X射線，其中主要是硬X射線，而這類射線與軟X射線相比，能穿越宇宙塵埃等，不被遮擋。另一方面，X射線穿越地球大氣層時會嚴重衰減。所以，發射望遠鏡衛星在空間軌道捕捉X射線，特別是硬X射線，就成為各國科學家競相追逐的目標。

　　“調制”是指中國科學家創新的把“調制后的信號還原成圖像”的技術。望遠鏡在太空通過硬X射線進行天體觀測，必須完成“成像”，而這是核心技術難點。上世紀90年代初，中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吳枚研究員經過艱苦努力，探索出“直接解調”方法，實現高靈敏度和高分辨率的成像，比國際上采用的編碼孔徑成像技術更成熟、更便宜。之后，李惕碚院士把成像技術與掃描探測技術結合在一起，很快便提出了硬X射線調制望遠鏡的概念——通過對硬X射線源的成像觀測，繪制高精度的硬X射線天圖。

　　數代科學家經24年磨礪

　　對很多不了解背景的人來說，“慧眼”仿佛一夜之間橫空出世，并且一步把中國帶入到X射線天文學時代。而對于李惕碚而言，這是一個漫長而焦灼的過程。1993年，他提出了基于直接解調方法的硬X射線調制望遠鏡的設想，之后，他積極奔走，通過各種方式，爭取支持。雖然一次次遇到挫折，但是李惕碚和他的團隊并不灰心，根據該領域國際上的最新進展，不斷完善相關方案。2011年，硬X射線太空望遠鏡終于正式立項，與暗物質衛星等一起被列入“十二五”空間戰略先導專項。

　　李惕碚和吳枚兩位老一代科學家雖然已經成功解決了“成像”難題，奠定了相關技術基礎，但是在望遠鏡研制和項目實施過程中仍然面臨一系列技術障礙。“慧眼”衛星工程總師、航天科技集團五院研究員馬世俊介紹說，比如衛星熱控設計方面，為保證有效載荷探測精度，必須將高能、中能、低能探測器集中安裝在同一支撐結構上，但它們彼此間溫度要求相差極大。有些靈敏的儀器設備必須在零下60℃到零下80℃的低溫下才能正常工作。研發團隊成員相互啟發、集中攻關，終于琢磨出多級隔熱措施、深冷熱管技術、梯度溫度加熱等妙招，成功解決這一難題。

　　國際技術封鎖是該項目必須面對的另一個困難。在核心載荷高能望遠鏡研制過程中，需要進口某一個型號探測器，項目團隊已經與外方簽訂了進口合同，但之后被外方所在國有關部門叫停。面對困局，項目團隊橫下一條心，在壓力下奮起，走自主研發道路。既然是摸索，總免不了走些彎路，但是他們不氣餒。持之以恒地努力終于獲得了應有的回報，經過29輪試制，完成30多個樣品，終于“殺”出一條路來。

　　攜帶眾“法寶”巡天不眠不休

　　從“慧眼”的實際載荷和探測能力來看，它被稱作“硬X射線調制望遠鏡”多少有些名不副實了，因為它通過攜帶的幾件“法寶”，不僅可以對高能的硬X射線和中能、低能的軟X射線進行觀測與成像，而且還可以監測空間環境。特別值得一提的是，“慧眼”項目首席科學家張雙南創造性地對原本用于屏蔽干擾粒子的探測器稍加改造，使其成為目前世界上面積最大、靈敏度最高的伽馬暴探測器，大大拓展了其探測范圍和能力。

　　據“慧眼”項目總指揮潘騰介紹，衛星進入太空后，望遠鏡就會進入一刻不停、持續不間斷的巡天模式，也就是說，在預期4年的壽命中，它每天都要24小時分秒必爭地工作，緊“盯”著宇宙空間。

　　具體來說，“慧眼”將開展4個方面的空間探測活動：一是對銀道面（天球上沿銀河畫出的一大圓為銀道，銀道所在的主平面即為銀道面）進行巡天觀測，發現新的高能變源和已知高能天體的新活動；二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質，加深對致密天體和黑洞強引力場中動力學和高能輻射過程的認識；三是在硬X射線/軟伽馬射線能區獲得伽馬射線暴及其他爆發現象的能譜和時變觀測數據，研究宇宙深處大質量恒星死亡以及中子星并合等導致的黑洞的形成過程；四是探索利用X射線脈沖星進行航天器自主導航的技術和原理，并開展在軌實驗。“慧眼”不同于鏡面望遠鏡受制于其面積和視場，在巡天過程中，其探測面積更大、探測到的信號更多、效率更高。

　　6月16日，也就是在發射約24小時，“慧眼”就成功把第一批超過2GB的數據傳送回來。經驗證，數據質量良好。

　　與歐美發達國家相比，中國在空間科學方面無疑還處于起步階段，但仍然有迎頭追趕的機會，“慧眼”就有望在X射線天文學領域為中國搶占一席之地。正如一位美國同行盛贊的那樣，中國硬X射線調制望遠鏡衛星，將是今后這段時期研究黑洞動力學過程獨一無二的“利器”，是X射線天文學發展史上的一座里程碑。

　　鏈接一

　　X射線天文學

　　X射線天文學是以天體的X射線輻射為主要研究手段的天文學分支。天體的X射線受到地球大氣的嚴重阻礙，主要利用衛星進行探測。早期的X射線探測工作集中于對太陽的研究。自從1962年6月18日美國麻省理工學院研究小組第一次發現來自天蝎座方向的強大 X射線源以后，非太陽 X射線天文學進入一個新的發展階段。上世紀70年代以來，發射了專門研究 X射線的天文衛星，觀測到許多先前不知道的宇宙 X射線源，使X射線源的數目猛增。

　　鏈接二

　　X射線望遠鏡

　　X射線望遠鏡是為了探測地球大氣層以外的源所發射的X射線，并把X射線分辨為一個圖象而設計的一種儀器。由于大氣吸收，所以X射線望遠鏡必須用氣球、火箭或空間運載工具帶到高空。因為天體X射線源都是遠而弱的，這些探測器通常都要有大的集光面積和高的效率，以便在宇宙射線引起的背景上探測到X射線。

　　人類第一個X射線天文衛星叫“烏呼魯”，是在美國科學家賈科尼領導下于1970年在肯尼亞發射升空的，在約3年運行時間里，確定了350個X射線源，包括X射線雙星、超新星遺跡、星系團、塞弗特星系等。賈科尼因在X射線天文學方面的先驅性貢獻而獲得2002年的諾貝爾物理學獎。在“烏呼魯”之后，一系列搭載X射線的望遠鏡衛星發射升空，其中包括歐洲的XMM-牛頓衛星、美國的羅西X射線時變探測器、錢德拉X射線天文臺、日本的朱雀衛星等。