中國版“宇宙星探”緣何“高能”

具有洞穿宇宙奧秘能力的“宇宙星探”——“慧眼”升空，由此，我國天文觀測實現了由地面觀測到天地聯合觀測的跨越。

“慧眼”衛星搭載載荷重量981千克，占衛星總重的將近一半。如此強大的裝備，能將1keV～250keV能量范圍的X射線（基本覆蓋整個X射線譜段）悉數收入眼底。而它能做的還不止這些。

“我們還給探測器增加了一個能力，將本來用于屏蔽背景信號的探測器能區擴展到了3Mev，因而衛星的實際有效范圍從1keV到3MeV。”“慧眼”衛星首席科學家、中科院高能物理所研究員張雙南介紹稱，這意味著“慧眼”具備了伽馬射線暴的觀測能力，也成為國際上能量覆蓋范圍最廣的天文望遠鏡之一。

由于不同天體有不同活動性，對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、定點觀測和小天區掃描模式，可實現寬波段、大視場、大有效面積的空間觀測。”國防科工局系統工程司副司長趙堅說。

正因為“慧眼”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空間天文望遠鏡、第一個空間天文臺。

獨到之處 激烈競爭中凸顯優勢

“人類知道的第一個黑洞，就是通過X射線天文望遠鏡發現的。”張雙南介紹，幾乎所有天體都產生X射線，而且有些天體的活動只產生X射線或以產生X射線為主。因而，國際科學界在這一領域的競爭非常激烈。

目前已有7臺能夠開展X射線觀測的空間設備在運行，包括美國航天局的核分光望遠鏡陣、歐洲空間局的XMM牛頓望遠鏡（XMM-Newton）等。

在這個領域，很多國家仍在加速布局。當“慧眼”運行時，包括我國天宮二號上搭載的伽馬射線暴探測器“天極”望遠鏡（POLAR）“小蜜蜂”在內，天空中將有10臺左右的相關設備。

“空間科學的研究從來不會重復放望遠鏡，功能相近的望遠鏡幾乎都沒有發射過。”張雙南說。

以“慧眼”和“小蜜蜂”為例，兩者都具備伽馬射線暴的觀測能力，卻在觀測能段、功能方面有很大的不同。張雙南解釋稱，“慧眼”每年能夠觀測到的伽馬射線暴數量比“小蜜蜂”至少要多一倍，同時，“慧眼”旨在測伽馬射線暴能譜，而“小蜜蜂”則是測伽馬射線暴的偏振。因而，他說發射一臺新的天文望遠鏡，它一定有某些過人之處。

衛星工程總師馬世俊強調了衛星具備在200keV～3MeV的全天監測能力。在200keV～3MeV能區，“慧眼”監測伽馬射線暴的有效觀測面積，比以往的設備提高了10倍左右。這也使得“慧眼”在搜尋引力波電磁對應體方面表現出了強勁的國際競爭力。

天地聯合 進入天文學主戰場

專家介紹，高能天體周圍的引力場很強，強到科學家無法在地球實驗室內實現，而科學研究要理解科學規律卻離不開實驗。

通過觀測黑洞、中子星等天體附近物質變化產生的X射線，便可以對如廣義相對論的預言、強磁場環境中的科學規律等進行檢驗。可以說，空間科學就是科學家以天體為實驗室研究科學規律的一門學科。

這一學科又以新的天文發現為驅動，對儀器有很強的依賴性。而由于X射線無法穿透稠密的地球大氣，地面望遠鏡無法實現有效觀測，發射X射線天文衛星便成為觀測天體X射線輻射的主流手段。這也是“慧眼”升空的原因所在。

“它的觀測目標范圍非常廣，可以和地面可見光望遠鏡、射電望遠鏡聯合起來，實現國內第一次天地一體化的天文觀測，這也是我國天文觀測能力的跨越式發展。”張雙南說。

這顆衛星發射升空后，為我國在國際競爭最激烈的領域占據了一席之地。但張雙南強調，我們只是進入了這一天文學競爭的主戰場而已，仍然只處在起步階段。

依托航天 空間科學未來可期

航天技術的發展，使我國具備了較強的運載能力、衛星研制能力，為空間科學的進步奠定了堅實的基礎。

以“慧眼”為例，衛星系統總指揮潘騰說，不同能段的探測器工作溫度不同，如高能探測器工作溫度要求為20攝氏度左右，而低能探測器工作溫度要求為零下七八十攝氏度。

除了溫度控制之外，“慧眼”的指向也與以往對地通訊衛星不同，“這顆衛星要求可能對天上的任何一個方向”，潘騰說，一方面要求精確，同時還要機動，這對衛星研制提出了很高的要求。

航天技術的發展在空間科學高靈敏度、高指向精度、精確控溫等要求下不斷進步，空間科學也在航天技術的支持下將科學思想轉化為現實產品。兩者的有機互動，令未來我國在空間科學的發展值得期待。

據硬X射線調制衛星系統載荷分系統專家宋黎明介紹，中科院高能所2007年即提出X射線時變與偏振探測衛星（簡稱XTP）項目，作為HXMT的后續任務，以實現從具有特色的小型空間天文臺到國際領先的大型空間天文臺的戰略突破。

宋黎明表示，XTP在背景型號研究中，吸引了來自歐洲科研團隊的集體加入，形成了增強型XTP項目概念——eXTP。

“由于綜合了大面積X射線聚焦望遠鏡陣列、大面積準直型望遠鏡陣列、高靈敏度X射線偏振望遠鏡的綜合能力，在黑洞、中子星以及若干基礎物理學理論的研究等方面，eXTP相比于之前的衛星，綜合性能將有一個數量級的提高。”宋黎明說。而這無疑會讓中國空間科學的發展更加令人期待。王佳雯