“慧眼”硬X射线调制望远镜到底能做什么？_国内_资讯

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作者| 杭添仁

小编前言

中国成功发射了“慧眼”硬X射线调制望远镜。乍一看，慧眼、X射线、望远镜我们全部都认识，然而连在一起，看了半天也没明白这是个啥。不是你高中物理没学好，是你没用心！所以，今天小编就带你用心感受中国“慧眼”。

（一）X射线前加了一个“硬”，你就不认识了？

　　首先，就从你熟悉的X射线说起。在医院拍摄透视片，在各类安检中，都接触过它。只不过现在它的前面加了一个“硬”字，而这个是根据它的波长来划分的。

　　一般，波长在0.1～10纳米的X射线称为软X射线，其能量相对较低；波长在0.01～0.1纳米之间的X射线称为硬X射线，其能量相对较高；波长在0.01～0.001纳米的被称为超硬X射线，是能量相对最高的X射线。

　　你也可以理解为，硬X射线是能量比较高的电磁波（10～250千电子伏特），具有很强的穿透能力，医院里人体透视检查用的一般就是它。

　　（X射线机，图片来源：视觉中国）

　　很多巨型黑洞被尘埃包围，软X射线无法穿透，只能用硬X射线探测器去发现它们。硬X射线来自最靠近黑洞视界的区域，是探测黑洞和研究黑洞附近物理过程的一个关键窗口。

（二）什么叫做空间望远镜？

　　“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星（HXMT），是中国首颗X射线空间天文卫星。它前面还有个定语——空间，那么什么又是空间望远镜呢？这之前还有个动词“发射”，可见这是把望远镜搬到了太空。

　　（“慧眼”发射动画示意图）

　　一般，天文卫星被叫做空间望远镜，相当于把天文观测台搬到太空中，所以可轻而易举地改变了以往坐地观地、坐地观天的传统，摆脱大气层对天文观测的影响，可在全频段范围内对宇宙空间进行详细的观测。

　　与其他人造地球卫星相比，空间望远镜当然有一些与众不同之处，比如：其指向精度要求很高，一般用太阳或者恒星作为指向的基准；对其结构要求也很高，这是与其指向精度要求相关的一项要求；其上的观测仪器复杂，有的还需要在超低温的状态下才能可靠工作；空间望远镜的观测数据量一般很大。

1、在宇宙中能看的不止有光，还有“各种波”

　　目前，空间望远镜大多是按照所观测的宇宙中电磁波谱来分类，即分为可见光空间望远镜、X射线空间望远镜、γ射线空间望远镜和空间红外望远镜等，其中有的是没有镜片的空间望远镜。

　　为什么采用这种分类方法？这是因为宇宙中的万物每时每刻都在不断向空间辐射电磁波，而各种天体的性质和特点不同，所以它们所辐射的电磁波也不同。空间望远镜就是通过探测各种天体所辐射的不同波谱、不同强度的电磁波，对宇宙进行详细了解。

2、为什么是X射线，不是其他射线

　　这就回到了X射线的话题，我们讲过它为什么有“软硬”之分，现在来讲讲为何非要X射线。

　　宇宙中的天体由于温度不同而发出各种频段的电磁波，因此靠1台空间望远镜很难进行全部波段的观测，必须需研制各个波段的空间望远镜。一般来说，温度越高，发出的电磁波波长越短。人类可以利用这一特性，通过观测天体发出的电磁波，来分析它们的类型和特征。在电磁波谱中，γ射线的波长最短，辐射能量最大，X射线次之，后面依次是紫外线、可见光、红外和射电波。

　　从20世纪90年代起，美国开始实施“大观测计划”，陆续发射了“哈勃”空间望远镜、“康普顿”γ射线空间望远镜、“钱德拉”X射线空间望远镜等。我们最熟悉的哈勃望远镜，其主镜直径2.4米，可从华盛顿看到几万千米以外悉尼的一只萤火虫，观测距离约140亿光年。

　　（哈勃望远镜）

　　而近年，国外发射了不少新的空间望远镜，其中大多是γ射线、 X射线高能空间望远镜。这是为什么呢？

　　这是因为γ射线、 X射线具有较大的贯穿能力，能提供宇宙中的重要信息，对探索宇宙奥秘具有重要意义。目前，在太空运行的空间红外望远镜中约有一半都是高能空间红外望远镜。

　　近些年，随着X射线空间望远镜成果颇多，所以越来越受青睐。这种空间望远镜主要用于观测宇宙中的高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。宇宙中很多极端天体物理过程都会产生发射强烈X射线高温气体，比如中子星和黑洞吸积物质的过程，超新星爆发和γ射线暴的激波和喷流。高能带电粒子在磁场中的辐射以及和低能光子的作用、中子星的表面和量子黑洞的蒸发也会产生丰富的X射线。

3、X射线其实很“傲娇”，只能在太空观测

　　（图片来源：中科院之声）

　　由于宇宙中许多天体都散发X射线，因此探测宇宙中的X射线对探索宇宙奥秘具有重要意义。但由于X射线极易被介质吸收，介质对于X射线的折射率近于1，所以在地面把高能X射线的收集和聚焦是非常困难的事情。

　　也就是说，因为有地球大气的阻隔，在地面上根本无法对宇宙X射线进行观测，只能在太空进行观测。即使在太空观测X射线，望远镜的设计也要非常讲究，不能选用折射系统，而且要使射线以掠射方式射入镜面。

（三）调制望远镜里的“调制”又是个啥？

　　一般你看到的望远镜都是这样的，带镜片的，虽然初中物理课本上学的望远镜成像原理早就忘干净了，不过不妨碍你理解它的外貌：

　　后来，你通过「了不起的中国制造」栏目知道了射电望远镜，没想到一口锅也叫望远镜：

　　（射电望远镜，图片来源：视觉中国）

　　但它是这样的：

　　（中国“慧眼”硬X射线调制望远镜在轨运行示意图）

　　这是因为硬X射线波长很短，所以很难用光学望远镜成像。对于硬X射线的探测，国际上的普遍办法之一便是采用准直型望远镜对其进行探测。但是，准直型望远镜的缺点在于它会损失很多探测光子的信息，从而导致这种方法的探测结果精度较低。

　　20世纪90年代，中科院高能物理研究所的李惕碚院士和吴枚研究员提出了用非线性数学手段，直接对探测器阵列的扫描数据进行求解成像，这一直接解调法能够使低分辨的非成像探测器实现高分辨成像，调制望远镜中的“调制”就是源自这一算法。

　　这下好了，不光物理没学好，数学也没学好！

直接解调成像法，可探测宇宙各种高能事件

　　中国科学家首创的直接解调成像方法，可以实现宽波段、高灵敏度、高空间分辨率X射线巡天和定点观测，绘制高精度X射线天图，探索新的天体类型，实现空间硬X射线高分辨巡天，发现大批高能天体和天体高能辐射新现象，并对黑洞，中子星等重要天体进行高灵敏度定向观测，推进人类对极端条件下高能天体物理动力学、粒子加速和辐射过程的认识。

　　与国外复杂和昂贵的编码孔径成像系统相比，采用直接解调成像的方法分辨率高，同时可有效抑制噪音干扰，背景异常干净；并简单准确，极大提高探测定位的精度，其定位精度可以接近可见光探测精度，从而为“慧眼”探测宇宙空间各种高能事件。

（四）所以，“慧眼”到底能做什么？

　　经过上文逐词解读，终于把硬X射线调制望远镜卫星给读懂了，中国X射线空间望远镜起步晚，但起点高。“慧眼”的设计寿命是4年，质量2496千克，运行在高550千米、倾角43°的圆轨道。

　　卫星本体呈立方体构型，装载高能、中能、低能3个X射线望远镜和空间环境监测器共4个探测有效载荷。其中高能X射线望远镜是世界上在20～250千电子伏特能区探测器面积最大，可同时用于对特定X射线源进行高精度定点观测，又可以进行扫描成像观测的望远镜。

　　它们都是准直型望远镜，即只有位于准直器视场内的天体发出的X射线才能入射到探测器上，而且与视线方向的夹角越大，有效探测面积越小。

1、它如何观测？“慧眼”有三种观测模式！

　　在扫描观测模式下，由于天空中存在着亮度不同的X射线源，望远镜在扫过不同区域时探测器的计数率也在变化，通过分析计数率变化和望远镜姿态之间的关系，可以重建获得天空X射线源的位置和流强。

扫描观测——是“慧眼”发现监视已知源的流强变化以及发现新天体的主要手段。

定点观测——则是指向某一天体进行长时间的观测，可以研究天体的X射线光变和能谱性质。

大视场监视器——中国科学家又开发了一种新的观测模式，即通过调整高能X射线望远镜主探测器光电倍增管的高压，可以使其中的CsI晶体成为一个大面积的大视场监视器，探测天空的硬X射线和软γ射线暴发现象。

　　3个X射线望远镜可在不同能段同时观测一个天体，能观测1～250千电子伏特能量范围的X射线。由于不同能量的X射线辐射起源于天体上不同的物理过程或者具有不同物理条件的区域，因此在不同的能段观测天体，可对天体的活动给出更全面和准确的诊断。

　　空间环境检测器装在卫星载荷舱的外面，是为了监测卫星所处的带电粒子环境，对“慧眼”在轨可能出现的故障进行诊断，并为望远镜的本底估计提供辅助数据。

　　（HXMT卫星主载荷结构示意图）

2、“慧眼”4年每天24小时“盯着”宇宙

　　“慧眼”有四大科学目标：一是进行大天区的X射线巡天，发现新的天体或已知天体的新活动；二是对X射线双星系统进行高精度的定点观测，研究其快速光变；三是观测孤立脉冲星、强磁场中子星和中子星X射线双星中的X射线暴，研究致密物质的状态方程；四是监测200千电子伏特～3兆电子伏特能区暴发现象，研究γ射线暴，寻找引力波暴的电磁对应体。

　　其主要工作模式包括巡天观测、定点观测和小天区扫描模式。在正常工作模式下，“慧眼”可以实现1～250千电子伏特能区的大天区巡天和定点观测；在γ射线暴工作模式下，可以监测超过一半左右的天空在0.2～3兆电子伏特软γ射线能区的暴发现象。

3、不止是黑洞，它可探测宇宙事件发生到结束的全过程

　　与目前在轨运行的7个国外X射线空间望远镜相比，“慧眼”有以下优势：具有大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天能力；具有大面积、宽波段、高时间分辨率的定点观测能力；是国际上最大面积的硬X射线/软γ射线能段国际上最大面积的探测器。

　　由于“慧眼”探测器能谱范围非常宽，所以它除了可探测空间X射线外，还可拓展进行γ射线暴、恒星爆炸、黑洞等探测；不仅能将宇宙事件从发生、发展到结束全过程的壮丽景象尽收眼底，还可看到这些壮丽景象出现时的时变过程是怎样的，且比国际上其他同类卫星时间分辨率有大幅提升，这对于推动突发天体现象研究的深入意义重大。

　　它将在国际上首次系统性地获得银河系内高能天体活动的动态图景，发现大量新的天体和天体活动新现象。由于具有独特的研究X射线双星多波段X射线快速光变的能力，预期可以在黑洞和中子星双星的研究中获得大面积新成果。

　　据悉，“慧眼”具有比欧洲“国际γ射线天体物理实验台”、美国“雨燕”等γ射线空间望远镜更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力，能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体，并研究宇宙硬X射线背景的性质。

　　（将于2021年发射的“国际X射线天文台”）

（五）要在温差达60°C的环境工作，其支撑平台更要强大

　　其实，“慧眼”不仅望远镜本领很大，其支撑平台也非常了不起。因为“慧眼”上的科学设备需要在-60～-80°C的低温下才能可靠的工作，必须确保望远镜不见太阳、地球和卫星本体，以免辐射增温。同时，安装在同一支架上的高、中、低能X射线望远镜对温度指标要求悬殊，指标最大温差达60°C。

　　必须采取主动控温和被动控温相结合方法，多种温控手段并用，这就需要通过安装遮阳板、采取多极隔热、采用深冷热管技术以及优化观测状态等方法实现载荷要求。

全天区扫描，“慧眼”要用倾斜轨道

　　该空间望远镜不同于常规太阳同步轨道对地遥感卫星，要实现全天区扫描的要求，这对“慧眼”姿态稳定提出了极大的挑战。为实现对全天球的空间天体高灵敏度的观测需求，并满足空间望远镜能源和散热要求，“慧眼”必须采用倾斜轨道，并采用对日定向慢旋姿态、三轴稳定惯性定向姿态、惯性稳定小角度旋转姿态、三轴稳定轨控定向姿态共四种惯性定向姿态控制方式，且具有大角度姿态机动的能力，从而，保证空间望远镜巡天、定点、小天区、银道扫描四种观测模式的实现。

　　同时，探测器对时间要求很高，要求记录某一个到达X光点的准确时间，便于事后分析。因此，必须做到分毫不差。