「慧眼」硬X射線調製望遠鏡到底能做什麼？

出品| 網易新聞

作者| 杭添仁

小編前言

中國成功發射了「慧眼」硬X射線調製望遠鏡。乍一看，慧眼、X射線、望遠鏡我們全部都認識，然而連在一起，看了半天也沒明白這是個啥。不是你高中物理沒學好，是你沒用心！所以，今天小編就帶你用心感受中國「慧眼」。

（一）X射線前加了一個「硬」，你就不認識了？

　　首先，就從你熟悉的X射線說起。在醫院拍攝透視片，在各類安檢中，都接觸過它。只不過現在它的前面加了一個「硬」字，而這個是根據它的波長來劃分的。

　　一般，波長在0.1～10納米的X射線稱為軟X射線，其能量相對較低；波長在0.01～0.1納米之間的X射線稱為硬X射線，其能量相對較高；波長在0.01～0.001納米的被稱為超硬X射線，是能量相對最高的X射線。

　　你也可以理解為，硬X射線是能量比較高的電磁波（10～250千電子伏特），具有很強的穿透能力，醫院裡人體透視檢查用的一般就是它。

　　（X射線機，圖片來源：視覺中國）

　　很多巨型黑洞被塵埃包圍，軟X射線無法穿透，只能用硬X射線探測器去發現它們。硬X射線來自最靠近黑洞視界的區域，是探測黑洞和研究黑洞附近物理過程的一個關鍵窗口。

（二）什麼叫做空間望遠鏡？

　　「慧眼」全稱硬X射線調製望遠鏡衛星（HXMT），是中國首顆X射線空間天文衛星。它前面還有個定語——空間，那麼什麼又是空間望遠鏡呢？這之前還有個動詞「發射」，可見這是把望遠鏡搬到了太空。

　　（「慧眼」發射動畫示意圖）

　　一般，天文衛星被叫做空間望遠鏡，相當於把天文觀測台搬到太空中，所以可輕而易舉地改變了以往坐地觀地、坐地觀天的傳統，擺脫大氣層對天文觀測的影響，可在全頻段範圍內對宇宙空間進行詳細的觀測。

　　與其他人造地球衛星相比，空間望遠鏡當然有一些與眾不同之處，比如：其指向精度要求很高，一般用太陽或者恆星作為指向的基準；對其結構要求也很高，這是與其指向精度要求相關的一項要求；其上的觀測儀器複雜，有的還需要在超低溫的狀態下才能可靠工作；空間望遠鏡的觀測數據量一般很大。

1、在宇宙中能看的不止有光，還有「各種波」

　　目前，空間望遠鏡大多是按照所觀測的宇宙中電磁波譜來分類，即分為可見光空間望遠鏡、X射線空間望遠鏡、γ射線空間望遠鏡和空間紅外望遠鏡等，其中有的是沒有鏡片的空間望遠鏡。

　　為什麼採用這種分類方法？這是因為宇宙中的萬物每時每刻都在不斷向空間輻射電磁波，而各種天體的性質和特點不同，所以它們所輻射的電磁波也不同。空間望遠鏡就是通過探測各種天體所輻射的不同波譜、不同強度的電磁波，對宇宙進行詳細了解。

2、為什麼是X射線，不是其他射線

　　這就回到了X射線的話題，我們講過它為什麼有「軟硬」之分，現在來講講為何非要X射線。

　　宇宙中的天體由於溫度不同而發出各種頻段的電磁波，因此靠1台空間望遠鏡很難進行全部波段的觀測，必須需研製各個波段的空間望遠鏡。一般來說，溫度越高，發出的電磁波波長越短。人類可以利用這一特性，通過觀測天體發出的電磁波，來分析它們的類型和特徵。在電磁波譜中，γ射線的波長最短，輻射能量最大，X射線次之，後面依次是紫外線、可見光、紅外和射電波。

　　從20世紀90年代起，美國開始實施「大觀測計劃」，陸續發射了「哈勃」空間望遠鏡、「康普頓」γ射線空間望遠鏡、「錢德拉」X射線空間望遠鏡等。我們最熟悉的哈勃望遠鏡，其主鏡直徑2.4米，可從華盛頓看到幾萬千米以外悉尼的一隻螢火蟲，觀測距離約140億光年。

　　（哈勃望遠鏡）

　　而近年，國外發射了不少新的空間望遠鏡，其中大多是γ射線、 X射線高能空間望遠鏡。這是為什麼呢？

　　這是因為γ射線、 X射線具有較大的貫穿能力，能提供宇宙中的重要信息，對探索宇宙奧秘具有重要意義。目前，在太空運行的空間紅外望遠鏡中約有一半都是高能空間紅外望遠鏡。

　　近些年，隨著X射線空間望遠鏡成果頗多，所以越來越受青睞。這種空間望遠鏡主要用於觀測宇宙中的高溫天體和宇宙中發生的高能物理過程。宇宙中很多極端天體物理過程都會產生髮射強烈X射線高溫氣體，比如中子星和黑洞吸積物質的過程，超新星爆發和γ射線暴的激波和噴流。高能帶電粒子在磁場中的輻射以及和低能光子的作用、中子星的表面和量子黑洞的蒸發也會產生豐富的X射線。

3、X射線其實很「傲嬌」，只能在太空觀測

　　（圖片來源：中科院之聲）

　　由於宇宙中許多天體都散發X射線，因此探測宇宙中的X射線對探索宇宙奧秘具有重要意義。但由於X射線極易被介質吸收，介質對於X射線的折射率近於1，所以在地面把高能X射線的收集和聚焦是非常困難的事情。

　　也就是說，因為有地球大氣的阻隔，在地面上根本無法對宇宙X射線進行觀測，只能在太空進行觀測。即使在太空觀測X射線，望遠鏡的設計也要非常講究，不能選用折射系統，而且要使射線以掠射方式射入鏡面。

（三）調製望遠鏡里的「調製」又是個啥？

　　一般你看到的望遠鏡都是這樣的，帶鏡片的，雖然初中物理課本上學的望遠鏡成像原理早就忘乾淨了，不過不妨礙你理解它的外貌：

　　後來，你通過「了不起的中國製造」欄目知道了射電望遠鏡，沒想到一口鍋也叫望遠鏡：

　　（射電望遠鏡，圖片來源：視覺中國）

　　但它是這樣的：

　　（中國「慧眼」硬X射線調製望遠鏡在軌運行示意圖）

　　這是因為硬X射線波長很短，所以很難用光學望遠鏡成像。對於硬X射線的探測，國際上的普遍辦法之一便是採用準直型望遠鏡對其進行探測。但是，準直型望遠鏡的缺點在於它會損失很多探測光子的信息，從而導致這種方法的探測結果精度較低。

　　20世紀90年代，中科院高能物理研究所的李惕碚院士和吳枚研究員提出了用非線性數學手段，直接對探測器陣列的掃描數據進行求解成像，這一直接解調法能夠使低分辨的非成像探測器實現高分辨成像，調製望遠鏡中的「調製」就是源自這一演算法。

　　這下好了，不光物理沒學好，數學也沒學好！

直接解調成像法，可探測宇宙各種高能事件

　　中國科學家首創的直接解調成像方法，可以實現寬波段、高靈敏度、高空間解析度X射線巡天和定點觀測，繪製高精度X射線天圖，探索新的天體類型，實現空間硬X射線高分辨巡天，發現大批高能天體和天體高能輻射新現象，並對黑洞，中子星等重要天體進行高靈敏度定向觀測，推進人類對極端條件下高能天體物理動力學、粒子加速和輻射過程的認識。

　　與國外複雜和昂貴的編碼孔徑成像系統相比，採用直接解調成像的方法解析度高，同時可有效抑制噪音干擾，背景異常乾淨；並簡單準確，極大提高探測定位的精度，其定位精度可以接近可見光探測精度，從而為「慧眼」探測宇宙空間各種高能事件。

（四）所以，「慧眼」到底能做什麼？

　　經過上文逐詞解讀，終於把硬X射線調製望遠鏡衛星給讀懂了，中國X射線空間望遠鏡起步晚，但起點高。「慧眼」的設計壽命是4年，質量2496千克，運行在高550千米、傾角43°的圓軌道。

　　衛星本體呈立方體構型，裝載高能、中能、低能3個X射線望遠鏡和空間環境監測器共4個探測有效載荷。其中高能X射線望遠鏡是世界上在20～250千電子伏特能區探測器面積最大，可同時用於對特定X射線源進行高精度定點觀測，又可以進行掃描成像觀測的望遠鏡。

　　它們都是準直型望遠鏡，即只有位於準直器視場內的天體發出的X射線才能入射到探測器上，而且與視線方向的夾角越大，有效探測面積越小。

1、它如何觀測？「慧眼」有三種觀測模式！

　　在掃描觀測模式下，由於天空中存在著亮度不同的X射線源，望遠鏡在掃過不同區域時探測器的計數率也在變化，通過分析計數率變化和望遠鏡姿態之間的關係，可以重建獲得天空X射線源的位置和流強。

掃描觀測——是「慧眼」發現監視已知源的流強變化以及發現新天體的主要手段。

定點觀測——則是指向某一天體進行長時間的觀測，可以研究天體的X射線光變和能譜性質。

大視場監視器——中國科學家又開發了一種新的觀測模式，即通過調整高能X射線望遠鏡主探測器光電倍增管的高壓，可以使其中的CsI晶體成為一個大面積的大視場監視器，探測天空的硬X射線和軟γ射線暴發現象。

　　3個X射線望遠鏡可在不同能段同時觀測一個天體，能觀測1～250千電子伏特能量範圍的X射線。由於不同能量的X射線輻射起源於天體上不同的物理過程或者具有不同物理條件的區域，因此在不同的能段觀測天體，可對天體的活動給出更全面和準確的診斷。

　　空間環境檢測器裝在衛星載荷艙的外面，是為了監測衛星所處的帶電粒子環境，對「慧眼」在軌可能出現的故障進行診斷，並為望遠鏡的本底估計提供輔助數據。

　　（HXMT衛星主載荷結構示意圖）

2、「慧眼」4年每天24小時「盯著」宇宙

　　「慧眼」有四大科學目標：一是進行大天區的X射線巡天，發現新的天體或已知天體的新活動；二是對X射線雙星系統進行高精度的定點觀測，研究其快速光變；三是觀測孤立脈衝星、強磁場中子星和中子星X射線雙星中的X射線暴，研究緻密物質的狀態方程；四是監測200千電子伏特～3兆電子伏特能區暴發現象，研究γ射線暴，尋找引力波暴的電磁對應體。

　　其主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描模式。在正常工作模式下，「慧眼」可以實現1～250千電子伏特能區的大天區巡天和定點觀測；在γ射線暴工作模式下，可以監測超過一半左右的天空在0.2～3兆電子伏特軟γ射線能區的暴發現象。

3、不止是黑洞，它可探測宇宙事件發生到結束的全過程

　　與目前在軌運行的7個國外X射線空間望遠鏡相比，「慧眼」有以下優勢：具有大天區、大有效面積的寬波段X射線掃描巡天能力；具有大面積、寬波段、高時間解析度的定點觀測能力；是國際上最大面積的硬X射線/軟γ射線能段國際上最大面積的探測器。

　　由於「慧眼」探測器能譜範圍非常寬，所以它除了可探測空間X射線外，還可拓展進行γ射線暴、恆星爆炸、黑洞等探測；不僅能將宇宙事件從發生、發展到結束全過程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些壯麗景象出現時的時變過程是怎樣的，且比國際上其他同類衛星時間解析度有大幅提升，這對於推動突發天體現象研究的深入意義重大。

　　它將在國際上首次系統性地獲得銀河系內高能天體活動的動態圖景，發現大量新的天體和天體活動新現象。由於具有獨特的研究X射線雙星多波段X射線快速光變的能力，預期可以在黑洞和中子星雙星的研究中獲得大面積新成果。

　　據悉，「慧眼」具有比歐洲「國際γ射線天體物理實驗台」、美國「雨燕」等γ射線空間望遠鏡更強大的成像能力和獨一無二的定向觀測能力，能以最高靈敏度和解析度發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和其他未知類型高能天體，並研究宇宙硬X射線背景的性質。

　　（將於2021年發射的「國際X射線天文台」）

（五）要在溫差達60°C的環境工作，其支撐平台更要強大

　　其實，「慧眼」不僅望遠鏡本領很大，其支撐平台也非常了不起。因為「慧眼」上的科學設備需要在-60～-80°C的低溫下才能可靠的工作，必須確保望遠鏡不見太陽、地球和衛星本體，以免輻射增溫。同時，安裝在同一支架上的高、中、低能X射線望遠鏡對溫度指標要求懸殊，指標最大溫差達60°C。

　　必須採取主動控溫和被動控溫相結合方法，多種溫控手段並用，這就需要通過安裝遮陽板、採取多極隔熱、採用深冷熱管技術以及優化觀測狀態等方法實現載荷要求。

全天區掃描，「慧眼」要用傾斜軌道

　　該空間望遠鏡不同於常規太陽同步軌道對地遙感衛星，要實現全天區掃描的要求，這對「慧眼」姿態穩定提出了極大的挑戰。為實現對全天球的空間天體高靈敏度的觀測需求，並滿足空間望遠鏡能源和散熱要求，「慧眼」必須採用傾斜軌道，並採用對日定向慢旋姿態、三軸穩定慣性定向姿態、慣性穩定小角度旋轉姿態、三軸穩定軌控定向姿態共四種慣性定向姿態控制方式，且具有大角度姿態機動的能力，從而，保證空間望遠鏡巡天、定點、小天區、銀道掃描四種觀測模式的實現。

　　同時，探測器對時間要求很高，要求記錄某一個到達X光點的準確時間，便於事後分析。因此，必須做到分毫不差。

結語

　　「慧眼」入軌之後的第5天將對其上的科學儀器加電，開始為期5天的整體功能測試，然後進行為期140天的儀器性能測試、在軌標定觀測和試觀測，計劃於2017年11月進入常規科學觀測。

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編輯| 於冉帝