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，按照設計它的壽命只有4年，可是由于它的運行狀態(tài)一切正常，望遠鏡各項性能依舊良好，科學成果絡繹不絕，所以科學家們召開衛(wèi)星延壽會議，決定讓它再干兩年。目前衛(wèi)星平臺星載燃料完好如初，可以滿足多次軌道提升，預期“慧眼”衛(wèi)星還可以穩(wěn)定運行數(shù)年。
“慧眼”衛(wèi)星全稱是硬X射線調(diào)制望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT）衛(wèi)星，是我國的第一顆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，帶著科學家們的殷殷期盼，飛向茫茫宇宙。它運行在550km的近地圓軌道上，主要用來觀測研究黑洞、中子星、伽馬射線暴等等，它也是一架來之不易的太空望遠鏡，從1993年項目提出，到衛(wèi)星項目立項，再到衛(wèi)星發(fā)射升空足足用了24年，可以說它代表了中國空間天文的開端，凝聚了幾代科學家的智慧和心血，背后是大批科學家的團結(jié)合作以及默默奉獻和堅守，其中有一位科學家，她就是我國高能天體物理奠基人、“中國的居里夫人”，對衛(wèi)星項目立項有著卓越貢獻的何澤慧院士，為了紀念她，大家給衛(wèi)星取名“慧眼”，希望這架空間望遠鏡能像她的眼睛一樣慧眼如炬，穿過星際物質(zhì)的遮擋發(fā)現(xiàn)黑洞，尋找高能天體的美麗風景。
(相關(guān)資料圖)
“慧眼”衛(wèi)星主要是通過觀測宇宙中天體輻射的X射線來實現(xiàn)科學目標，大家知道，X射線本質(zhì)上和可見光一樣都是電磁波，只不過X射線的波長更短，如果用一臺普通的光學望遠鏡對準X射線天體源，則根本無法獲得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，科學家們想了很多解決辦法。比如德國科學家沃爾特發(fā)明設計了掠射式鏡面，仍然采用光學成像原理，可以實現(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X 射線入射時與鏡面的夾角足夠小。比如2012年美國發(fā)射的NuStar衛(wèi)星（Nuclear Spectroscopic Telescope Array）就實現(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重疊200層左右鍍成，每層厚度和表面粗糙度都達到了原子量級，工藝的一致性和穩(wěn)定性世間罕見。由于掠射式鏡面制作難度非常大，對一個國家的工業(yè)水平要求極高，國內(nèi)至今還無法制作出如此光滑而且反射如此高能量的X射線的鏡面。
面對當時國內(nèi)制作工藝無法逾越的技術(shù)鴻溝，我國科學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)制望遠鏡就是隨著這個方法的提出應運而生的。20世紀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，即使無法實現(xiàn)聚焦，仍然可以有效地將解調(diào)之后的信號還原成圖像，這種方法被稱為直接解調(diào)技術(shù)，獲得了令人滿意的準確度。調(diào)制就是掃描，李惕碚院士結(jié)合掃描探測技術(shù)與這種圖像處理技術(shù)，提出了硬X射線調(diào)制望遠鏡的概念，希望這種簡單成熟的方法能彌補國內(nèi)技術(shù)上的缺陷，對硬X射線源做成像觀測，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)制望遠鏡只是沿用了最初的名字，其實早已不再局限于硬X 射線這一能段，它包含高能X射線望遠鏡（HE，20-250 keV , 5100 cm2），中能X射線望遠鏡（ME，8-35 keV, 952 cm2）和低能X射線望遠鏡（LE，1-12 keV, 384 cm2），首次實現(xiàn)了1～250千電子伏特的能區(qū)覆蓋，有利于從不同能段來觀測和研究X射線天體的輻射機制。衛(wèi)星的現(xiàn)任首席科學家張雙南又創(chuàng)造性地添加了觀測伽馬暴的任務，使衛(wèi)星的能量覆蓋范圍在原來的基礎上又擴大了10倍，到3兆電子伏特。當然高能X射線探測器仍然是這顆衛(wèi)星有效載荷的核心組成部分。
硬X射線調(diào)制望遠鏡雖然不能實現(xiàn)聚焦成像，但是得益于可行的技術(shù)和很好的算法。它有很多無法比擬的優(yōu)勢，比如：（1）能區(qū)寬，覆蓋1～250keV，有利于研究不同能段的X射線輻射機制。（2）探測面積大、信號多，對于同一個觀測天體源能發(fā)現(xiàn)更多的特性。（3）視場大、巡天快，它可以在兩天左右時間內(nèi)完成銀道面掃描。一般的鏡面望遠鏡由于視場很小，掃描一片天區(qū)需要花費很長的時間，所以一般只做定點觀測。（4）在觀測低能區(qū)時由于采用了先進的CCD探測器，有效地避免了光子堆積，看很亮的源也不會亮瞎眼。（5）“死”時間短，丟失的光子比其他探測器少得多，探測效率更好。（6）不改變軟硬件的前提下，創(chuàng)新性的通過調(diào)整光電倍增管的工作高壓，增加了伽馬射線暴的觀測模式，拓展了觀測能區(qū)。
“慧眼”衛(wèi)星帶著獨特的優(yōu)勢上天在軌運行5年，積累了豐富的科學數(shù)據(jù)，也產(chǎn)出了一系列的重大科學成果。比如2020年4月28日，地球上兩臺射電望遠鏡接收到了快速射電暴FRB200428的信號，就在此之前的8.6s“慧眼”衛(wèi)星探測到了宇宙中最強磁場的中子星SGR J1935+2154產(chǎn)生的一次X射線爆發(fā)，并利用其獨特的準直器設計，以遠高于射電觀測的精度定位了X射線暴與磁星SGR J1935+2154的位置一致，而8.6s的時間差正好與星際物質(zhì)對射電信號的延時相當，確認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)表于國際期刊 Nature Astronomy （自然·天文學）。快速射電暴來自磁星這一發(fā)現(xiàn)被英國《自然》和美國《科學》列入2020年十大科學突破。
“慧眼”衛(wèi)星還直接而且可靠地測量到了迄今宇宙最強磁場，大約是此前國際上測量到的最強磁場的兩倍，達到了大約10億特斯拉，是地球?qū)嶒炇耶a(chǎn)生的最強磁場的大約一億倍，該結(jié)果于2020年8月10日在國際著名期刊Astrophysical Journal letters（ApJL）（《天體物理學快報》）上發(fā)表。
“慧眼”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了距離黑洞最近的相對論噴流，該成果于2020年9月21日在線發(fā)表在《自然·天文學》上。
它還發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星中逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流（簡稱冕），并首次在黑洞雙星中觀測到冕的速度演化，該成果于2021年2月15日，在線發(fā)表于 Nature Communications （《自然·通訊》）上。
它開展了X射線脈沖星導航實驗，定位精度達到10公里之內(nèi)（3倍標準偏差），進一步驗證了航天器利用脈沖星自主導航的可行性，為未來在深空的實際應用奠定了基礎，相關(guān)論文于2019年8月21日在美國《天體物理雜志》（增刊）正式刊出。
2017年8月17日，還在在軌測試期間的“慧眼”衛(wèi)星幸運地監(jiān)測到了全球首個雙中子星并和引力波事件，對其伽馬射線電磁對應體在高能區(qū)（MeV，百萬電子伏特）的輻射性質(zhì)給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻。
“慧眼”衛(wèi)星完整探測到了第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程，為理解太陽高能輻射隨時間演化提供新的觀測結(jié)果，于2021年9月10日發(fā)表在美國《天體物理學》（The Astrophysical Journal）上。
“慧眼”衛(wèi)星首次清晰觀測到了黑洞雙星爆發(fā)過程的全景，揭示了黑洞雙星爆發(fā)標準圖像的產(chǎn)生機制，該成果發(fā)表于2021年7月1日發(fā)表于 The Astrophysical Journal Letters （《天體物理學快報》）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，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射線天文學貢獻了中國力量，相信在未來，她一定不負眾望，為世界貢獻更多的科學成果。為了更好地研究宇宙中的極端天文現(xiàn)象，我國科學家提出了大型國際合作項目增強型X射線時變與偏振空間天文臺（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission, eXTP），它是我國發(fā)起并領導的，主要由歐洲包括意大利、德國、 瑞士、西班牙、法國等20多個空間天文發(fā)達國家的100多個研究院所參與，將載有中歐合作研制的四組高性能X射線天文儀器：能譜測量聚焦望遠鏡陣列（Spectroscopy Focusing Array, SFA）、偏振測量聚焦望遠鏡陣列（Polarimetry Focusing Array, PFA）、大面積準直型望遠鏡陣列（Large Area Detector， LAD）、廣角監(jiān)視器（Wide Field Monitor），將實現(xiàn)大面積、高動態(tài)范圍、高信噪比的空間X射線“能譜-時變”與“時變-偏振”觀測；它是我國下一代旗艦級空間X射線天文臺，它的探測性能較“慧眼”有大幅提升，可以將宇宙看得更精細，更重要的是它會采用掠射式的望遠鏡技術(shù)，讓我們拭目以待吧。
參考文獻：
1、《活捉黑洞》
標簽： 宇宙奧秘
