睜開(kāi)“慧眼”，活捉黑洞

喻菲++全曉書(shū)++屈婷++白國(guó)龍

6月15日，中國(guó)首顆X射線(xiàn)天文衛(wèi)星“慧眼”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心升空，它將揭示宇宙中驚心動(dòng)魄的圖景：黑洞吞噬被撕裂的星星、脈沖星瘋狂旋轉(zhuǎn)、宇宙深處猛烈的爆炸……

據(jù)國(guó)防科工局消息，這顆衛(wèi)星全稱(chēng)為硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，由長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭送入550公里近地圓軌道。它將巡視銀河系中的X射線(xiàn)源，詳細(xì)研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測(cè)伽馬射線(xiàn)暴，探索利用脈沖星為航天器導(dǎo)航。

它被命名為“慧眼”，寓意中國(guó)在太空“獨(dú)具慧眼”，能穿過(guò)星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線(xiàn)，也為紀(jì)念推動(dòng)中國(guó)高能天體物理發(fā)展的已故科學(xué)家何澤慧。

科學(xué)家希望通過(guò)“慧眼”解開(kāi)黑洞演化、中子星具有強(qiáng)磁場(chǎng)等劇烈天文過(guò)程中的種種謎團(tuán)，研究極端引力條件下的廣義相對(duì)論和極端密度條件下的中子星物態(tài)，以及極端磁場(chǎng)條件下的物理規(guī)律等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，這些是現(xiàn)代物理學(xué)有可能獲得突破的重要方向。

一座小型空間天文臺(tái)

“慧眼”重約2.5噸，載荷重量981公斤，其上同時(shí)安裝了高、中、低能三組X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上是一座小型空間天文臺(tái)。

據(jù)中科院高能物理研究所研究員、衛(wèi)星有效載荷總設(shè)計(jì)師盧方軍介紹，這顆衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了1～250keV的能區(qū)全覆蓋，有利于從不同能段來(lái)觀(guān)測(cè)和研究X射線(xiàn)天體的輻射機(jī)制。

“慧眼”的探測(cè)面積很大，尤其是高能望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)面積超過(guò)了5000平方厘米，是國(guó)際上同能區(qū)探測(cè)器中面積最大的。“面積越大，探測(cè)到的信號(hào)就會(huì)越多，就越有可能發(fā)現(xiàn)其他望遠(yuǎn)鏡看不到的現(xiàn)象。”參與衛(wèi)星研制的科學(xué)家熊少林說(shuō)。

“慧眼”的視場(chǎng)也很大，約兩天即可完成對(duì)銀道面的掃描，有利于監(jiān)測(cè)暫現(xiàn)源?！皩?duì)于一個(gè)已知源，當(dāng)然也有可能取得新發(fā)現(xiàn)，但對(duì)于一個(gè)新的源，新發(fā)現(xiàn)的概率當(dāng)然會(huì)更大?！毙苌倭终f(shuō)。

“慧眼”是建立在中國(guó)科學(xué)家李惕碚和吳枚提出的直接解調(diào)成像方法之上的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡，因此它還具有觀(guān)測(cè)亮源的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)低能望遠(yuǎn)鏡主任設(shè)計(jì)師陳勇介紹，X射線(xiàn)能量越低，光子數(shù)量就越多。“在觀(guān)測(cè)低能段亮源時(shí)，聚焦型望遠(yuǎn)鏡會(huì)把所有X射線(xiàn)光子都聚到一點(diǎn)上，導(dǎo)致曝光過(guò)度，只能看到白茫茫一片；而我們的望遠(yuǎn)鏡可以把光子分散開(kāi)，看多亮的源，都不會(huì)晃瞎眼?！?/p>

特別值得一提的是，在“慧眼”首席科學(xué)家張雙南的建議下，在不增加和更改軟硬件的前提下，只要對(duì)探測(cè)器工作高壓作適當(dāng)調(diào)整，高能望遠(yuǎn)鏡主探測(cè)器中原本用于屏蔽本底X射線(xiàn)光子的碘化銫晶體就可用來(lái)觀(guān)測(cè)伽馬射線(xiàn)暴了。這一創(chuàng)新設(shè)想將“慧眼”的觀(guān)測(cè)能區(qū)進(jìn)一步推高到3MeV。

來(lái)自中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院的衛(wèi)星副總設(shè)計(jì)師倪潤(rùn)立說(shuō)，根據(jù)這顆衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)，研制人員為它制定了巡天觀(guān)測(cè)、小天區(qū)觀(guān)測(cè)和定點(diǎn)觀(guān)測(cè)等多種工作模式。

研制人員還為中、低能探測(cè)器設(shè)計(jì)了一把“遮陽(yáng)傘”。“高能探測(cè)器的溫度要在18攝氏度左右，而中、低能探測(cè)器的溫度卻可能低至-80攝氏度或-40攝氏度。這就好比一個(gè)人穿同一件衣服，卻要在南極和赤道都能生存下來(lái)。設(shè)計(jì)‘遮陽(yáng)傘就是為了實(shí)現(xiàn)低溫工作環(huán)境。”衛(wèi)星熱控副主任設(shè)計(jì)師周宇鵬說(shuō)。

觀(guān)察“暴躁”的黑洞，給中子星“把把脈”

由于“慧眼”有較大的視場(chǎng)，對(duì)銀河系巡天是它最重要的使命?！拔覀冾A(yù)期會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的黑洞和中子星。”張雙南說(shuō)。

他說(shuō)，盡管其他國(guó)家已發(fā)射的同類(lèi)衛(wèi)星開(kāi)展過(guò)巡天觀(guān)測(cè)，但絕大多數(shù)X射線(xiàn)源都是變?cè)矗瑫?huì)不定期發(fā)生劇烈的耀發(fā)，不是一兩次巡天就能發(fā)現(xiàn)的，因此“慧眼”將反復(fù)開(kāi)展巡天掃描，及時(shí)探測(cè)銀河系內(nèi)天體源的耀發(fā)。

“天上黑洞、中子星那么多，但是現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)被徹底搞明白，所以會(huì)不斷有衛(wèi)星來(lái)觀(guān)測(cè)它們。”張雙南說(shuō)。

神秘莫測(cè)的黑洞還隱藏著很多秘密?！昂诙茨墚a(chǎn)生X射線(xiàn)等各種輻射，還有可能產(chǎn)生高能宇宙線(xiàn)以及強(qiáng)烈的噴流。它們究竟在干什么？現(xiàn)在人類(lèi)只有二三十個(gè)黑洞的樣本，能發(fā)現(xiàn)更多當(dāng)然好，對(duì)已發(fā)現(xiàn)的黑洞我們也希望研究得更清楚，找到黑洞只是開(kāi)始。”張雙南說(shuō)。

據(jù)他描述，黑洞有時(shí)很“冷靜”，有時(shí)很“暴躁”。當(dāng)它“發(fā)脾氣”時(shí)，產(chǎn)生的X射線(xiàn)流強(qiáng)特別高。國(guó)外的衛(wèi)星適合看“安靜”的黑洞，而“慧眼”特別適合看“暴躁”的黑洞和中子星。

“我們還不知道為什么有些黑洞‘發(fā)脾氣，所以我們希望對(duì)銀河系的黑洞和中子星作比較詳細(xì)的普查?！睆堧p南說(shuō)。

此外，“慧眼”還要給宇宙中詭異的中子星（脈沖星）“把把脈”。“我們還不清楚中子星的內(nèi)部是什么。它們具有超強(qiáng)的引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)和核密度，可謂極端物理的天然實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)研究中子星的X射線(xiàn)，我們可以測(cè)量其表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究高密度、強(qiáng)磁場(chǎng)下物質(zhì)的性質(zhì)。”張雙南說(shuō)。

期待意外發(fā)現(xiàn)

人類(lèi)已探測(cè)到幾次引力波，但科學(xué)家急切想找到與引力波相對(duì)應(yīng)的電磁波信號(hào)，這也是“慧眼”的一項(xiàng)重要使命。

熊少林說(shuō)，目前引力波事件的定位精度還很差，如果在其發(fā)生的同時(shí)或者相近時(shí)間，在其相同位置發(fā)現(xiàn)電磁信號(hào)，聯(lián)合分析引力波信號(hào)和電磁信號(hào)會(huì)獲得更多關(guān)于爆發(fā)天體的信息。一些科學(xué)家懷疑伽馬射線(xiàn)暴很可能是引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。

張雙南說(shuō)：“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的引力波還沒(méi)有一個(gè)找到電磁對(duì)應(yīng)體。如果只在一個(gè)波段觀(guān)測(cè)，往往信息是不完整的，所以我們非常希望看到引力波產(chǎn)生時(shí)也有X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)或其他波段的信號(hào)，這些熟識(shí)的電磁波信號(hào)能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)引力波?！?/p>

他認(rèn)為，尋找引力波電磁對(duì)應(yīng)體極為重要。“慧眼”有200keV至3MeV能區(qū)面積最大的伽馬暴探測(cè)器，是目前國(guó)際上最好設(shè)備的10倍，預(yù)計(jì)一年可觀(guān)測(cè)到近200個(gè)伽馬暴，在今后引力波電磁對(duì)應(yīng)體的搜尋中有可能取得一錘定音的效果。

“如果能發(fā)現(xiàn)引力波的電磁對(duì)應(yīng)體，這將成為‘慧眼最精彩的科學(xué)成果?！睆堧p南說(shuō)。

“我們的望遠(yuǎn)鏡會(huì)發(fā)現(xiàn)很多我們以前不知道的現(xiàn)象，甚至是全新的天體，我們對(duì)此非常期待。但它最終有什么樣的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在誰(shuí)也不知道，天文研究中最有趣的發(fā)現(xiàn)都是意外的。”張雙南說(shuō)。