“慧眼”洞穿高能天體奧秘

“慧眼”洞穿高能天體奧秘

編者按：“慧”識(shí)宇宙，“眼”觀蒼穹。浩瀚太空，星光璀璨。中國探索宇宙的路上又增添了一顆“新星”，它就是我國自主研發(fā)并成功發(fā)射的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)衛(wèi)星——慧眼。本期《視野》，讓我們跟隨它一起遨游太空，探索宇宙奧秘吧。

我國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星成功發(fā)射

6月15日11時(shí)，具有洞穿宇宙奧秘能力的“慧眼”——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，在長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭的托舉下，從酒泉成功發(fā)射升空。

作為我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星，被命名為“慧眼”的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱HXMT）衛(wèi)星，填補(bǔ)了我國空間X射線天文衛(wèi)星研制的空白。自此，我國天文觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了由地面觀測(cè)到天地聯(lián)合觀測(cè)的跨越。

“重裝”出擊 造就我國首個(gè)空間天文臺(tái)

“慧眼”衛(wèi)星由服務(wù)艙、載荷艙、太陽翼等構(gòu)成。其裝載著高能、中能、低能X射線望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器等4個(gè)探測(cè)有效載荷，包含25個(gè)探測(cè)器單機(jī)，載荷重量約有一噸，占衛(wèi)星總重的將近一半。

如此強(qiáng)大的裝備，能將1千電子伏特～250千電子伏特能量范圍的X射線悉數(shù)收入眼底。“慧眼”衛(wèi)星成為科學(xué)家凝視浩渺宇宙中黑洞、中子星釋放X射線的獨(dú)特眼眸。而它能做的還不止這些。

“我們還給探測(cè)器增加了一個(gè)能力，將本來用于屏蔽背景信號(hào)的探測(cè)器能區(qū)擴(kuò)展到了3兆電子伏特，因而衛(wèi)星的實(shí)際有效范圍為從1千電子伏特到3兆電子伏特。”“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南介紹稱，這意味著“慧眼”具備了伽馬射線暴的觀測(cè)能力，也成為國際上能量覆蓋范圍最廣的天文望遠(yuǎn)鏡之一。

由于不同的天體有不同的活動(dòng)性，科學(xué)家對(duì)天體研究的階段也各不相同。“它的主要工作模式包括巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描，可實(shí)現(xiàn)寬波段、大視場(chǎng)、大有效面積的空間觀測(cè)。”國防科工局系統(tǒng)工程司副司長(zhǎng)趙堅(jiān)說。

正因?yàn)椤盎垩邸?覆蓋的能段范圍很廣、工作模式多樣，所以張雙南將它稱為我國真正意義上第一個(gè)空間天文望遠(yuǎn)鏡、第一個(gè)空間天文臺(tái)。

激烈競(jìng)爭(zhēng)中 “慧眼”凸顯獨(dú)到特色

“人類知道的第一個(gè)黑洞，就是通過X射線天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。”張雙南告訴記者，幾乎所有天體都產(chǎn)生X射線，而且有些天體的活動(dòng)只產(chǎn)生X射線或以產(chǎn)生X射線為主。因而，國際科學(xué)界在這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。

目前已有7臺(tái)能夠開展X射線觀測(cè)的空間設(shè)備在運(yùn)行，包括美國航天局的核分光望遠(yuǎn)鏡陣、歐洲空間局的XMM牛頓望遠(yuǎn)鏡（XMM-Newton）等。

在該領(lǐng)域，很多國家仍在加速布局。當(dāng)“慧眼”運(yùn)行時(shí)，包括我國天宮二號(hào)上搭載的伽馬射線暴探測(cè)器“天極”望遠(yuǎn)鏡（POLAR）“小蜜蜂”在內(nèi)，天空中將有10臺(tái)左右的相關(guān)設(shè)備。

“空間科學(xué)的研究從來不會(huì)重復(fù)放望遠(yuǎn)鏡，功能相近的望遠(yuǎn)鏡幾乎都沒有發(fā)射過。”張雙南告訴記者。

以“慧眼”和“小蜜蜂”為例，兩者都具備伽馬射線暴的觀測(cè)能力，卻在觀測(cè)能段、功能方面有很大的不同。張雙南解釋稱，“慧眼”每年能夠觀測(cè)到的伽馬射線暴數(shù)量比“小蜜蜂”至少要多一倍，同時(shí)，“慧眼”旨在測(cè)伽馬射線暴能譜，而“小蜜蜂”則是測(cè)伽馬射線暴的偏振。

因而，他告訴記者，發(fā)射一臺(tái)新的天文望遠(yuǎn)鏡，它一定有某些過人之處。

談到“慧眼”衛(wèi)星的特色，該衛(wèi)星總工程師馬世俊強(qiáng)調(diào)：“其中值得一提的是，衛(wèi)星具有200千電子伏特到3兆電子伏特的全天監(jiān)測(cè)能力。”據(jù)他介紹，在200千電子伏特～3兆電子伏特能區(qū)，“慧眼”監(jiān)測(cè)伽馬射線暴的有效觀測(cè)面積，比以往的設(shè)備提高了10倍左右。

“慧眼”將成為這一能段天空中最靈敏的伽馬射線暴探測(cè)器和引力波電磁對(duì)應(yīng)體監(jiān)測(cè)器，這也使得它在搜尋引力波電磁對(duì)應(yīng)體方面表現(xiàn)出了強(qiáng)勁的國際競(jìng)爭(zhēng)力。

天地聯(lián)合觀測(cè) 進(jìn)入天文學(xué)主戰(zhàn)場(chǎng)

專家告訴記者，高能天體周圍的引力場(chǎng)很強(qiáng)，強(qiáng)到科學(xué)家無法在地球?qū)嶒?yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而科學(xué)研究要理解科學(xué)規(guī)律卻離不開實(shí)驗(yàn)。

通過觀測(cè)黑洞、中子星等天體附近物質(zhì)變化產(chǎn)生的X射線，便可以對(duì)如廣義相對(duì)論的預(yù)言、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中的科學(xué)規(guī)律等進(jìn)行檢驗(yàn)。可以說，空間科學(xué)就是科學(xué)家以天體為實(shí)驗(yàn)室研究科學(xué)規(guī)律的一門學(xué)科。

這一學(xué)科又以新的天文發(fā)現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)，對(duì)儀器有很強(qiáng)的依賴性。而由于X射線無法穿透稠密的地球大氣，地面望遠(yuǎn)鏡無法實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)，發(fā)射X射線天文衛(wèi)星便成為觀測(cè)天體X射線輻射的主流手段。這也是“慧眼”升空的原因所在。

“它的觀測(cè)目標(biāo)范圍非常廣，可以和地面可見光望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)第一次天地一體化的天文觀測(cè)，這也是我國天文觀測(cè)能力的跨越式發(fā)展。”張雙南說。

這顆衛(wèi)星發(fā)射升空后，為我國在國際競(jìng)爭(zhēng)最激烈的領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。但張雙南強(qiáng)調(diào)，這才算進(jìn)入了這一天文學(xué)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)而已，只處在起步階段。

依托航天優(yōu)勢(shì) 空間科學(xué)未來可期

航天技術(shù)的發(fā)展，使我國已具備了較強(qiáng)的運(yùn)載能力、衛(wèi)星研制能力，為空間科學(xué)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

以“慧眼”為例，衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮潘騰告訴記者，不同能段的探測(cè)器工作溫度不同，如高能探測(cè)器工作溫度要求為20攝氏度左右，而低能探測(cè)器工作溫度要求為零下七八十?dāng)z氏度。

除了溫度控制之外，“慧眼”的指向也與以往對(duì)地通信衛(wèi)星不同，“這顆衛(wèi)星要求可能對(duì)天上的任何一個(gè)方向。”潘騰說，一方面要求精確，同時(shí)還要機(jī)動(dòng)，這對(duì)衛(wèi)星研制提出了很高的要求。

航天技術(shù)的發(fā)展在空間科學(xué)高靈敏度、高指向精度、精確控溫等要求下不斷進(jìn)步，空間科學(xué)也在航天技術(shù)的支持下將科學(xué)思想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品。兩者的有機(jī)互動(dòng)，令未來我國在空間科學(xué)的發(fā)展值得期待。

據(jù)硬X射線調(diào)制衛(wèi)星系統(tǒng)載荷分系統(tǒng)專家宋黎明介紹，中科院高能所2007年即提出X射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱XTP）項(xiàng)目，作為HXMT的后續(xù)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)從具有特色的小型空間天文臺(tái)到國際領(lǐng)先的大型空間天文臺(tái)的戰(zhàn)略突破。

宋黎明表示，XTP在背景型號(hào)研究中，吸引了來自歐洲科研團(tuán)隊(duì)的集體加入，形成了增強(qiáng)型XTP項(xiàng)目概念——eXTP。

“由于綜合了大面積X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡陣列、大面積準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡陣列、高靈敏度X射線偏振望遠(yuǎn)鏡的綜合能力，在黑洞、中子星以及若干基礎(chǔ)物理學(xué)理論的研究等方面，eXTP相比于之前的衛(wèi)星，綜合性能將有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。”宋黎明說。而這無疑會(huì)讓中國空間科學(xué)的發(fā)展更加令人期待。

——摘自科學(xué)網(wǎng)