▲ 由一顆普通恒星和一個(gè)黑洞或中子星組成的雙星系統(tǒng)吸積過(guò)程示意圖。
? HXMT衛(wèi)星有效載荷示意圖。
HXMT衛(wèi)星示意圖。
6月15日11時(shí)00分，中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（下稱(chēng)“HXMT衛(wèi)星”）搭乘長(zhǎng)征四號(hào)乙型運(yùn)載火箭奔向太空。這顆名為“慧眼”的天文衛(wèi)星，將承載著我國(guó)科學(xué)家們的觀天之夢(mèng)，駐足浩瀚宇宙，穿過(guò)層層遮擋，看遍星辰大?！?/p>
慧眼望向何方
作為我國(guó)首顆空間X射線(xiàn)天文衛(wèi)星，HXMT衛(wèi)星其實(shí)具有三雙“慧眼”——其主要有效載荷包括高能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、中能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、低能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，能夠?qū)崿F(xiàn)1—250keV（1000電子伏特）能段全覆蓋探測(cè)，并具有大天區(qū)和大有效面積巡天能力和高精度定點(diǎn)觀測(cè)能力。
“‘慧眼’衛(wèi)星的成功發(fā)射，填補(bǔ)了我國(guó)空間X射線(xiàn)天文衛(wèi)星領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)天文觀測(cè)由地面觀測(cè)到天地聯(lián)合觀測(cè)的跨越，是我國(guó)天文學(xué)發(fā)展史上一件具有里程碑意義的大事。”國(guó)防科工局系統(tǒng)工程司副司長(zhǎng)趙堅(jiān)表示。
“通過(guò)對(duì)黑洞和中子星進(jìn)行長(zhǎng)期高頻次監(jiān)測(cè)，理解黑洞和中子星系統(tǒng)的活動(dòng)和演化機(jī)制是該衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)之一?！庇瞂射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)載荷分系統(tǒng)專(zhuān)家宋黎明介紹說(shuō)，黑洞是一種光都不能從其視界中逃脫出來(lái)的致密天體，因此無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接觀測(cè)。然而，由于黑洞引力非常強(qiáng)，會(huì)將氣體等一些物質(zhì)聚攏到其周?chē)纬梢粋€(gè)具有X射線(xiàn)輻射的吸積盤(pán)，在靠近中子星表面的區(qū)域，也同樣存在以X射線(xiàn)輻射為主的高溫、高壓、強(qiáng)磁場(chǎng)等條件。通過(guò)觀測(cè)X射線(xiàn)輻射的特征，便可了解這些極端天體的性質(zhì)以及其中的物理過(guò)程。
硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星還將對(duì)銀道面、銀心和核球進(jìn)行高靈敏度的寬波段X射線(xiàn)巡天監(jiān)測(cè)，有望在國(guó)際上首次系統(tǒng)性地獲得銀河系內(nèi)高能天體活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖景，并發(fā)現(xiàn)大量新的天體。
“宇宙中的天體每時(shí)每刻都在運(yùn)動(dòng)，忽高忽低，而銀道面上這類(lèi)天體更加集中，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行掃描觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)新的爆發(fā)源幾率較大，科學(xué)意義十分深遠(yuǎn)?！彼卫杳髡f(shuō)，HXMT衛(wèi)星每次的小天區(qū)掃描觀測(cè)區(qū)域?yàn)?0°×20°，按照一定的間隔和速度對(duì)這個(gè)天區(qū)進(jìn)行掃描觀測(cè)，再通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的成像計(jì)算得到天體源的位置和強(qiáng)度。
此外，HXMT在伽馬射線(xiàn)暴工作模式下，將利用其擴(kuò)展到200keV—3MeV（兆電子伏特）能段的探測(cè)能力，獲得新的伽馬射線(xiàn)暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象的能譜和時(shí)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，有助于科學(xué)家更深入地理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性、研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡以及中子星并合等過(guò)程中黑洞的形成。
“HXMT對(duì)硬X射線(xiàn)和軟伽馬射線(xiàn)能段監(jiān)測(cè)的接收面積，十倍于目前國(guó)際上最好的設(shè)備，是天空中這一能段最靈敏的伽馬射線(xiàn)暴探測(cè)器和引力波電磁對(duì)應(yīng)體監(jiān)測(cè)器?！庇瞂射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)總師馬世俊自豪地說(shuō)。
慧眼“慧”在哪里
HXMT衛(wèi)星上天之后，銀河系的星星都“逃不過(guò)”他的一雙“慧眼”，這得益于其練就的一身獨(dú)門(mén)絕技。
HXMT衛(wèi)星通過(guò)探測(cè)硬X射線(xiàn)輻射從而了解被監(jiān)測(cè)星源的相關(guān)信息。然而硬X射線(xiàn)成像非常困難，目前國(guó)際上主要使用的成像技術(shù)包括編碼孔徑成像和多層膜掠射望遠(yuǎn)鏡聚焦成像技術(shù)，但它們對(duì)探測(cè)器的精度要求十分高，設(shè)計(jì)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。
我國(guó)學(xué)者獨(dú)創(chuàng)的直接解調(diào)成像方法，是在一定的物理約束條件下直接求解原始的測(cè)量方程，可以同時(shí)獲得高的靈敏度和空間分辨率。“這就使我們?cè)诓捎镁容^低探測(cè)器的情況下，也能通過(guò)觀測(cè)模式的精心設(shè)計(jì)以及后續(xù)數(shù)據(jù)的有效處理，得到星源的位置、能量分布以及相關(guān)變化情況等精確信息。”宋黎明說(shuō)。
直接解調(diào)成像的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)先決條件，即精確校準(zhǔn)觀測(cè)X射線(xiàn)儀器的過(guò)程——標(biāo)定。
HXMT衛(wèi)星是對(duì)天體的X射線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，需要了解天體X射線(xiàn)的能量、流強(qiáng)、方向等信息。為了準(zhǔn)確測(cè)量這些信息，首先要清楚地掌握望遠(yuǎn)鏡的響應(yīng)函數(shù)。就像用尺子去度量某個(gè)東西，必須保證尺子的刻度是準(zhǔn)確的。對(duì)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)，正如用更精確的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)去校準(zhǔn)尺子一樣。
標(biāo)定的過(guò)程，是用放置于標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上的儀器測(cè)量X射線(xiàn)源，記錄產(chǎn)生出的信號(hào)，建立入射已知信號(hào)和產(chǎn)生信號(hào)之間的關(guān)系，即精確獲得儀器時(shí)間響應(yīng)、能量響應(yīng)和空間位置函數(shù)。這樣，從望遠(yuǎn)鏡獲得觀測(cè)數(shù)據(jù)之后，便可準(zhǔn)確地反推出被觀測(cè)天體的X射線(xiàn)輻射性質(zhì)。
“之前我們沒(méi)有配套的地面標(biāo)定裝置，為此，在研制HXMT的同時(shí)，又投入大量精力建設(shè)了兩套大型標(biāo)定裝置，順利完成了所有探測(cè)器的標(biāo)定工作?！彼卫杳髡f(shuō)。
HXMT衛(wèi)星另一項(xiàng)獨(dú)門(mén)絕技是伽馬射線(xiàn)暴監(jiān)測(cè)能力。
“這實(shí)際上是一個(gè)無(wú)心插柳的美麗巧合?！彼卫杳鹘忉屨f(shuō)，最初設(shè)計(jì)該衛(wèi)星時(shí)是沒(méi)有伽馬射線(xiàn)暴觀測(cè)模式的，但由于近幾年學(xué)術(shù)界對(duì)伽馬射線(xiàn)暴越來(lái)越關(guān)注，尤其是引力波的發(fā)現(xiàn)，使得伽馬射線(xiàn)暴的研究變得越發(fā)重要，因而對(duì)衛(wèi)星探測(cè)儀器進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)。
通過(guò)調(diào)整高能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡主探測(cè)器光電倍增管的高壓，使主探測(cè)器的探測(cè)能區(qū)從20—250keV覆蓋到200keV到3 MeV——這一能區(qū)恰恰是伽馬射線(xiàn)暴能量最集中的區(qū)域。如此一來(lái)，HXMT衛(wèi)星在不影響原有科學(xué)目標(biāo)的前提下，能對(duì)伽馬射線(xiàn)暴進(jìn)行高靈敏度全天監(jiān)測(cè)，大大提升了其科學(xué)能力。
“HXMT衛(wèi)星監(jiān)測(cè)伽馬射線(xiàn)暴的有效面積相比以往設(shè)備可提高十倍左右，能夠探測(cè)到足夠多的伽馬射線(xiàn)暴光子數(shù)，十分有助于我們對(duì)伽馬射線(xiàn)暴細(xì)致結(jié)構(gòu)的深入研究。”馬世俊告訴記者，由于引力波暴也可能產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)暴，HXMT在搜尋引力波電磁對(duì)應(yīng)體方面也具有明顯的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
慧眼如何練就
HXMT衛(wèi)星憑借一雙火眼金睛識(shí)辨銀河眾星源，而在苦練一身看家本領(lǐng)的路途上，必然經(jīng)歷了重重磨難、種種艱辛。
探測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)較差、少量關(guān)鍵元器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化、載荷研制隊(duì)伍航天工程經(jīng)驗(yàn)不足……HXMT衛(wèi)星自2011年正式立項(xiàng)以來(lái)，中科院高能所的專(zhuān)家們就從未停下過(guò)攻堅(jiān)克難的腳步。
HXMT衛(wèi)星使用了很多新的探測(cè)技術(shù)，然而這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)從未有過(guò)空間飛行經(jīng)歷，所需要使用的元器件也與我國(guó)航天規(guī)范要求之間存在不一致?！拔覀?cè)谔幚硖綔y(cè)技術(shù)對(duì)工作環(huán)境、元器件以及電路方面的影響時(shí)，明顯感到經(jīng)驗(yàn)不足?！彼卫杳魈寡裕@就導(dǎo)致在研制中能和低能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的過(guò)程中做了大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。
既然面臨如此多的困難，為什么還要研制這樣一顆衛(wèi)星呢？當(dāng)被問(wèn)及這一問(wèn)題時(shí)，宋黎明眼神中露出一絲堅(jiān)定，“X射線(xiàn)無(wú)法穿透稠密的大氣層，發(fā)射X射線(xiàn)天文衛(wèi)星是觀測(cè)天體X射線(xiàn)輻射的主流手段。中國(guó)是個(gè)航天大國(guó)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，空間科學(xué)還很薄弱，HXMT衛(wèi)星的成功發(fā)射將為我國(guó)空間科學(xué)的發(fā)展打開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵突破口”。
高能所專(zhuān)家經(jīng)過(guò)多年持之以恒的不懈努力，突破了以微弱信號(hào)讀出和處理為首的多項(xiàng)探測(cè)技術(shù)；自主研制了幾百納米的透軟X射線(xiàn)遮光膜，中能、低能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器等關(guān)鍵元器件，打破了國(guó)外的技術(shù)封鎖。其中在低等X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)器的研發(fā)中，成功解決了低噪聲讀出問(wèn)題，系統(tǒng)能量分辨率達(dá)到國(guó)際最好水平。
此外，一雙“慧眼”的練就也與中科院高能所專(zhuān)家同中國(guó)航天人之間的精誠(chéng)合作密不可分。
“缺乏航天工程和管理經(jīng)驗(yàn)又給我們的研制提出一道難題，這方面上中國(guó)航天科技集團(tuán)五院（下稱(chēng)‘航天五院’）的專(zhuān)家給予了我們很大的幫助。”談到合作，宋黎明向記者講述了這樣一個(gè)故事：為了更加充分利用高能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)完成以后，高能所專(zhuān)家又提出了一項(xiàng)新的科學(xué)目標(biāo)——監(jiān)測(cè)伽馬射線(xiàn)暴。
伽馬暴觀測(cè)模式是在觀測(cè)源被擋住時(shí)啟動(dòng)的，增加這一新的工作模式對(duì)衛(wèi)星提出了更多的要求。首先必須知道觀測(cè)源什么時(shí)候被遮擋，其次要控制衛(wèi)星上的儀器按流程工作。
“這些都需要通過(guò)近百條事先編好的指令來(lái)完成，而原來(lái)衛(wèi)星上是沒(méi)有為這些指令預(yù)留存儲(chǔ)的，為了實(shí)現(xiàn)該科學(xué)目標(biāo)，我們將衛(wèi)星控制中的部分指令空間讓了出來(lái)?！瘪R世俊說(shuō)，這體現(xiàn)了航天五院在滿(mǎn)足技術(shù)可靠性的基礎(chǔ)上，最大限度地服務(wù)于科學(xué)需求的工作理念。
“不僅如此，航天五院的專(zhuān)家還親自幫助我們篩選元器件，將采購(gòu)航天材料的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提供給我們?！彼卫杳麟y掩心中感激之情。
在HXMT衛(wèi)星工程研制中，航天五院承擔(dān)衛(wèi)星平臺(tái)的研制任務(wù)，中科院高能所負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)提出、有效載荷研制以及科學(xué)數(shù)據(jù)處理和分析。
兩支中國(guó)前沿科學(xué)的“夢(mèng)之隊(duì)”以精湛技術(shù)、精準(zhǔn)試驗(yàn)的研發(fā)理念，打造出用中國(guó)理論、中國(guó)衛(wèi)星，提供給中國(guó)和全世界科學(xué)家使用的太空望遠(yuǎn)鏡，以齊心協(xié)力、眾志成城的合作精神樹(shù)立了航天與科學(xué)、工程與技術(shù)完美融合的時(shí)代典范。（經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)·中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏 李芃達(dá)）
