“中國哈勃”瞄準黑洞

載人航天、探月工程和太空行走已經陸續成功，中國已經成為了空間技術的大國。但是在空間望遠鏡方面，似乎還是一個空白。其實，中國科學家們已經為空間望遠鏡持續努力了十多年，正爭取讓它在幾年之內升上太空。

在北京高能所粒子天體物理中心，記者見到了中國首臺空間望遠鏡的樣機。這臺一人多高的白色圓柱形儀器，安放在一個籃球場大小的房間里。儀器上面鑲嵌著18 個圓孔，看起來有點像巨型的蜂窩煤。它被媒體稱作“中國的哈勃”，正式名稱是“硬X 射線調制望遠鏡”(HXMT)，可能在兩三年內發射進入太空。HXMT 和位于河北興隆的世界最大施密特望遠鏡LAMOST、貴州平塘的世界最大口徑射電望遠鏡FAST，并稱為中國三大望遠鏡工程。HXMT 總耗資約10 億人民幣，超過另外兩個望遠鏡之和。國際天文學界對它抱著熱烈的期待，但是HXMT 在國內卻一直保持低調，甚至看不到一篇詳細的報道。這個神秘的空間望遠鏡會向人類揭示哪些宇宙的奧秘?它的進展如何了?

用X 射線的眼睛看黑洞

HXMT 看起來似乎不像我們所熟悉的哈勃空間望遠鏡，因為看不到潔凈的反射鏡面。“這18 個圓孔探測器就是HXMT 的‘鏡頭’，它們觀測的是硬X 射線，也就是能量較高的X 射線。”高能所粒子天體物理中心研究員盧方軍指著“蜂窩煤”上的小孔說，“硬X 射線是研究黑洞周圍時間、空間和物質的關鍵。”

黑洞是HXMT 的主要探測目標。黑洞并不發光，但是被黑洞吸進去的物質就像掉到地球上的流星一樣會發光。流星物質由于摩擦發熱燃燒，溫度會高達幾千攝氏度，而黑洞強大引力所吸積的物質，落到黑洞附近時溫度高達數千萬攝氏度，發射的光線能量極高，是人眼看不見的高能X 射線。和機場安檢的儀器一樣，硬X 射線有較強的穿透力。很多黑洞被吸積的塵埃包圍，普通的X 射線都無法穿透，只有高能量的硬X 射線才能被我們接收到。

“但是困難在于，X 射線是無法貫穿大氣的。所以HXMT 必須發射到太空中。”盧方軍說。也正是這個原因，X 射線天文學的先驅們的路異常艱難。即使在美國，要發射衛星也必須得說服政府官員，而不是幾個大學教授就能決定的。最初的探測工作只有用高空氣球和探空火箭，通過實驗知道了太空中有比太陽亮上億倍的X 射線源，但是不能確定它的準確方位。直到1970 年發射了自由號(Uhuru)衛星，第一臺真正意義上的X 射線空間望遠鏡，才發現了第一顆“疑似”黑洞的天體。著名的天鵝座X - 1，它被認為是由一顆20~40 倍太陽質量的巨星，和一顆8.7 倍太陽質量的致密星組成，后者被認為是一顆黑洞，正在從巨星上吸收質量而發射出X 射線。

在此之前，黑洞不過被看作廣義相對論里的數學游戲而已，X 射線天文學讓人們“看見”了黑洞。此后又有十多顆更強大的X 射線空間望遠鏡上天，如美國1978年的愛因斯坦衛星、1999 年的錢德拉X 射線空間天文臺，以及歐空局同年發射的XMM- 牛頓衛星等等，它們除了發現上千個疑似黑洞天體，還發現一些劇烈活動的星系核中，很可能隱藏著質量巨大的黑洞，從一些黑洞中有接近光速噴出的噴流。2005 年錢德拉X射線天文臺發現一個黑洞正在爆發，它吞噬的質量相當于3 億個太陽。這些X 射線空間望遠鏡觀測的主要是軟X 射線，而HXMT 主要工作于20keV 以上的硬X 射線能區，和以往的同類X 射線空間望遠鏡相比，它具有顯著的優越性。

物美價廉的HXMT

“HXMT 既能對全天區進行掃描成像，又可以對特定宇宙天體進行細致的定向觀測，所以有美國的天體物理學家認為，HXMT 會是2010 年前后這段時期中獨一無二的硬X 射線望遠鏡。”最早提出HXMT 項目的李惕碚院士向記者介紹。由于資金問題，中國在實測天文學方面一直落后，但是HXMT使用中國自己的直接解調成像方法，實現了技術成熟而便宜的探測裝置。X 射線穿透力很強，難以聚焦成像，人們想出了編碼孔徑成像的辦法，但是其裝置非常昂貴，成像的分辨率也不高。1992 年，李惕碚和吳枚提出了硬X 射線直接解調成像方法，通過直接解觀測方程，充分利用觀測獲得的信息，實現高分辨成像。

在高空氣球實驗中，直接解調方法獲得了成功。1993 年9 月25 日，高能所粒子天體物理中心用高空氣球搭載HXMT 的球載試驗樣機“HAPI-4 望遠鏡”升至36~38 千米高空，進行約1 小時掃描觀測。巧合的是，就在5 天前，美國加州理工也用昂貴的編碼孔徑成像方法做了同樣的試驗，探測時間也約1小時。結果兩個望遠鏡都實現了對天鵝座X - 1 的高分辨成像，而HAPI-4 的成像質量優于大型編碼孔徑成像望遠鏡。可惜的是，直接解調成像方法價廉物美得讓人難以相信。“主要問題是作為核心的方法有待確認。” 這是1994 年，HXMT 申請“九五計劃”立項未通過時評審組下的結論。

為了消除對新方法的懷疑，李惕碚院士的團組用了多年時間。除了論證直接解調的數學基礎，還用它重新分析了許多國外高能天文衛星的數據，取得了不少新成果。盧方軍就曾用直接解調方法處理德國倫琴衛星(ROSAT)的數據，發現了超新星遺跡G54.1+0.3 存在X 射線噴流，隨后申請到美國錢德拉X 射線天文臺的觀測時間，發現了“牛眼脈沖星”，被國際媒體廣泛報道。2000 年，HXMT 預研終于列入國家重點基礎研究發展規劃(973)項目，獲得第一筆經費，這就是我們面前的HXMT 地面樣機的來歷。

中國空間天文何時上路

按照預期，HXMT 將在2010 或2011 年發射，是否一切準備就緒了呢?“HXMT 很可能無法按時發射。”盧方軍遺憾地說。“HXMT 上天之前還有很多試驗要做。至少需要做4 臺樣機，其中三臺是用來做電性能、結構熱控和空間環境適應能力試驗，最后一臺才是正式上天的。”

有了973 項目的經費， 在2005 年建成了HXMT 第一臺樣機，測試結果也不錯。但是后續的資金沒有到位，無法繼續做下一臺樣機，研究人員們還在做HXMT 的各種試驗，以進一步提高HXMT 的性能和工程可靠性。“不過這也正常，美國也經常推遲發射，因為不可預料的事情太多了。”盧方軍仍然很樂觀。

中國雖然在航天領域多數項目上領先亞洲，但是仍然沒有發射過空間望遠鏡。從上世紀至今，國際上已發射的天文衛星有100 多顆，覆蓋的能量范圍從微波直到高能γ 射線，取得了大量的觀測研究成果，中國的空間天文卻仍然是空白。所以有一種說法:發展中國家重視空間技術，發達國家重視空間科學。令人寬慰的是，2007 年10 月，經國務院批準發布的《航天發展“十一五”規劃》已經明確了要“優先支持面向重大科學問題的自主創新項目，研制硬X 射線望遠鏡”。

在HXMT 緩慢行進的同時，NASA 已經開始實施雄心勃勃的“超越愛因斯坦計劃”，為了探索大爆炸、黑洞和暗能量，尋求物理科學的新突破，計劃發射一系列天文衛星，其中包括新一代的“星座”X 射線望遠鏡(HTXS)，以及“黑洞發現者”X 射線探測器(BHFP)，它們的功能將空前強大，但是發射日期還定在2016 年之后。HXMT 如果能夠趕在它們之前發射，中國仍然有很好的機會取得領先的重大科學成果。“但是如果得不到財政支持繼續拖延下去，就會在激烈的國際競爭中喪失時機，而成為一個罕見的反面事例:一個國家在長達15~20 年的時間里都抓不住自主創新所提供的科學機遇。當然，提供反面的教訓也是貢獻吧!”李惕碚院士有些無奈地苦笑著說。

●X 射線望遠鏡的成像方法

掠射成像:與金屬表面幾乎平行的X 射線會被反射，就像打水漂時石塊會在水面反彈一樣，可以用一系列小角度反射鏡讓掠射X 射線聚焦成像。但是對高能量的硬X 射線實現掠射成像非常困難。

編碼孔徑成像技術:在一個刻有小孔花紋的編碼版上，根據不同方向硬X 射線源的“影子”推導出射線源方位，就像根據多個路燈下影子的形狀來推斷路燈的位置。

直接解調成像:它只需要一個準直器來限制探測器的視場，通過掃描獲取數據，然后直接解觀測方程來還原X 射線強度的空間分布，可以盡可能少的丟失信息。