透視宇宙奧秘的“慧眼”

□ 諸葛文 喻菲 全曉書 屈婷

透視宇宙奧秘的“慧眼”

□ 諸葛文 喻菲 全曉書 屈婷

▲ 航天科技集團五院供圖

6月15日11點00分，我國成功把“慧眼”硬X射線空間天文衛星送入太空。它將揭示宇宙中驚心動魄的圖景：黑洞吞噬被撕裂的星系、脈沖星瘋狂旋轉、宇宙深處猛烈的爆炸……這架搭載長四乙火箭進入太空近圓軌道的X射線空間天文衛星，將巡視銀河系中的X射線源，詳細研究黑洞和脈沖星，并監測伽馬射線暴，探索利用脈沖星為航天器導航。此次發射還搭載了國內外3顆小衛星。

“看不見”的宇宙

宇宙中的各種天體每時每刻都在不斷向空間輻射電磁波，而由于它們組成的物質和特性不同，所以它們所輻射的電磁波也不同?？臻g望遠鏡就是通過探測各種天體所輻射的不同波譜、不同強度的電磁波，對宇宙進行詳盡探查。

另外，宇宙中的天體由于溫度不同而發出各種頻段的電磁波，因此僅靠1臺空間望遠鏡很難進行全部波段的觀測，必須研制各個波段的空間望遠鏡。一般來說，天體溫度越高，發出的電磁波波長越短。人類可以利用這一特性，通過觀測天體發出的電磁波，來分析它們的類型和特征。在電磁波譜中，伽馬射線的波長最短，輻射能量最大，X射線次之，后面依次是紫外線、可見光、紅外線和射電波。

X射線和可見光一樣，本質上都是電磁波，都具有波粒二象性，只是波長與能量不同，所以在傳播的過程當中顯現出來的性質也有所不同。X射線因為波長極短，能量又很高，在傳播的時候更接近粒子。當我們把一臺普通的光學望遠鏡對準X射線天體的時候，X射線不會像可見光那樣在鏡面上發生反射或折射，而會像一粒粒“炮彈”直挺挺打進水塘里一樣，就被吸收了。因此，使用普通的光學望遠鏡，也就無法獲得天體的X射線圖像。同時，能量越高，“炮彈”的速度就越快，X射線也就越“硬”。按照科學家的傳統劃分，能量在20千電子伏特（kev）以上的X射線，就被稱為硬X射線；能量在10千電子伏特以下的，就被稱為軟X射線。

超新星爆發之后的殘骸可能是中子星，也可能是黑洞。銀河系里就有為數眾多的中子星和黑洞。它們有的根本不會發出可見光，有的被厚厚的塵埃所遮擋。普通的可見光望遠鏡都看不到它們的影子，需要在X射線波段觀察才能發現。目前，在太空運行的空間紅外望遠鏡中約有一半都是高能空間紅外望遠鏡。

空間科學之重器

“慧眼”空間天文衛星設計壽命4年，質量2496千克，運行在高550千米、傾角43°的近地圓軌道。衛星本體呈立方體構型，同時安裝了高、中、低能三組X射線望遠鏡，實際上是一座小型空間天文臺。

這顆衛星首次實現了1千電子伏特～250千電子伏特的能區全覆蓋，有利于從不同能段來觀測和研究X射線天體的輻射機制。

其中，高能工作能段為20千電子伏特～250千電子伏特、中能工作能段為5千電子伏特～30千電子伏特、低能工作能段為1千電子伏特～15千電子伏特3個X射線望遠鏡和空間環境監測器共4個探測有效載荷。其中高能X射線望遠鏡是世界上在20千電子伏特～250千電子伏特能區探測器面積最大的望遠鏡，探測面積超過了5000平方厘米，面積越大，探測到的信號就會越多，就越有可能發現其他望遠鏡看不到的現象，還可同時用于對特定X射線源進行高精度定點觀測，又可以進行掃描成像觀測?！盎垩邸钡囊晥鲆埠艽螅s兩天即可完成對銀道面的掃描，有利于監測暫現源。

上，因此它還具有觀測亮源的優勢。

▲ 長四乙火箭送“慧眼”升空

所謂準直型望遠鏡，即只有位于準直器視場內的天體發出的X射線才能入射到探測器上，而且與視線方向的夾角越大，有效探測面積越小。在掃描觀測模式下，由于天空中存在著亮度不同的X射線源，望遠鏡在掃過不同區域時探測器的計數率也在變化，通過分析計數率變化和望遠鏡姿態之間的關系，可以重建獲得天空X射線源的位置和流強。掃描觀測是“慧眼”發現監視已知源的流強變化以及發現新天體的主要手段。定點觀測則是指向某一天體進行長時間的觀測，可以研究天體的X射線光變和能譜性質。我國科學家又開發了一種新的觀測模式，即通過調整高能X射線空間天文衛星主探測器光電倍增管的高壓，可以使其中的CsI晶體成為一個大面積的大視場監視器，探測天空的硬X射線和軟伽馬射線暴發現象。

空間環境檢測器裝在衛星載荷艙的外面，是為了監測衛星所處的帶電粒子環境，對“慧眼”在軌可能出現的故障進行診斷，并為望遠鏡的本底估計提供輔助數據。

特別值得一提的是，在“慧眼”首席科學家張雙南的建議下，在不增加和更改軟、硬件的前提下，只要對探測器工作高壓做適當調整，高能望遠鏡主探測器中原本用于屏蔽本底X射線光子的碘化銫晶體就可用來觀測伽馬射線暴了。這一創新設想將“慧眼”的觀測能區進一步推高到3兆電子伏特。

“活捉”黑洞、脈沖星

“慧眼”有四大科學目標：一是進行大天區的X射線巡天，發現新的天體或已知天體的新活動；二是對X射線雙星系統進行高精度的定點觀測，研究其快速光變；三是觀測孤立脈沖星、強磁場中子星和中子星X射線雙星中的X射線暴，研究致密物質的狀態方程；四是監測200千電子伏特～3兆電子伏特能區暴發現象，研究伽馬射線暴，尋找引力波暴的電磁對應體。

其主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描模式。在正常工作模式下，“慧眼”可以實現1千電子伏特～250千電子伏特能區的大天區巡天和定點觀測；在伽馬射線暴工作模式下，可以監測超過一半左右的天空在0.2兆電子伏特～3兆電子伏特軟伽馬射線能區的暴發現象。

與目前在軌運行的7個國外X射線空間天文衛星相比，“慧眼”有以下優勢：具有大天區、大有效面積的寬波段X射線掃描巡天能力；具有大面積、寬波段、高時間分辨率的定點觀測能力；是國際上最大面積的硬X射線/軟伽馬射線能段探測器。它既可以通過最高的靈敏度和分辨率實現大天區成像、寬波段X射線巡天，還將通過對黑洞和其他高能天體寬波段X射線時變和能譜的觀測，研究致密天體極端物理條件下的動力學和輻射過程。

帕金森病癡呆患者在臨床上發病率較高,可包括運動癥狀及非運動癥狀,發病原因尚未在臨床上進行準確闡述,相關性影響因素包括環境因素、年齡因素及遺傳因素等,病理改變是紋狀體中減少多巴胺含量[2],占據相對優勢的是膽堿能系統活動,可導致患者出現腦損害,可導致患者生活質量嚴重下降。

由于“慧眼”探測器能譜范圍非常寬，所以它除了可探測空間X射線外，還可拓展進行伽馬射線暴、恒星爆炸、黑洞等探測；不僅能將宇宙事件從發生、發展到結束全過程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些壯麗景象出現時的時變過程是怎樣的，且比國際上其他同類衛星時間分辨率有大幅提升，這對于推動突發天體現象研究的深入意義重大。

其國際先進的暗弱變源巡天能力，可進行引力波暴電磁對應體的尋找和后隨觀測；其高能X射線空間天文衛星可以探測到高至幾個兆電子伏特的光子，能在200千電子伏特～3兆電子伏特能區對伽馬射線暴全天監測，且接收面積10倍于目前國際上最好的設備，從而大幅提高了在該能區探測伽馬射線暴、搜索引力波暴的電磁波對應體的靈敏度，對伽馬射線暴和引力波暴電磁對應體的觀測具有重要意義，在國際上具有明顯的競爭力，且預期能夠產生重要科學成果。它將在國際上首次系統性地獲得銀河系內高能天體活動的動態圖景，發現大量新的天體和天體活動新現象。由于具有獨特的研究X射線雙星多波段X射線快速光變的能力，預期可以在黑洞和中子星雙星的研究中獲得大面積新成果。

▲ 不同波段的X射線、紅外線，以及可見光混合在一起的開普勒超新星殘骸照片

▲ 衛星研制現場 攝/南勇

“盡管其他國家已發射的同類衛星開展過巡天觀測，但絕大多數X射線源都是變源，會不定期發生劇烈的耀發，不是一兩次巡天就能發現的，因此‘慧眼’將反復開展巡天掃描，及時探測銀河系內天體源的耀發。”“慧眼”空間天文衛星首席設計師張雙南說。

“黑洞能產生X射線等各種輻射，還有可能產生高能宇宙線以及強烈的噴流。它們究竟在干什么？現在人類只有二三十個黑洞的樣本，能發現更多當然好，對已發現的黑洞我們也希望研究得更清楚，找到黑洞只是開始?！睆堧p南說。

據他描述，黑洞有時很“冷靜”，有時很“暴躁”。當它“發脾氣”時，產生的X射線流強特別高。國外的衛星適合看“安靜”的黑洞，而“慧眼”特別適合看“暴躁”的黑洞和中子星。

此外，“慧眼”還要給宇宙中詭異的中子星（脈沖星）“把把脈”?！拔覀冞€不清楚中子星的內部是什么。它們具有超強的引力場、電磁場和核密度，可謂極端物理的天然實驗室。通過研究中子星的X射線，我們可以測量其表面的磁場強度，研究高密度、強磁場下物質的性質?！睆堧p南說。

▲ 衛星研制現場 攝/南勇

“慧眼”巡天要“打傘”

其實，“慧眼”不僅望遠鏡本領很大，由航天科技集團五院研制的支撐平臺也非常了不起。因為“慧眼”上的科學設備需要在-60攝氏度～-80攝氏度的低溫下才能可靠的工作，必須確保望遠鏡不見太陽、地球和衛星本體，以免輻射增溫，同時，安裝在同一支架上的高、中、低能X射線望遠鏡對溫度指標要求懸殊，指標最大溫差達60攝氏度。必須采取主動控溫和被動控溫相結合方法，多種溫控手段并用，這就需要通過安裝遮陽板、采取多極隔熱、采用深冷熱管技術以及優化觀測狀態等方法實現載荷要求。

該空間天文衛星不同于常規太陽同步軌道對地遙感衛星，要實現全天區掃描的要求，這對“慧眼”姿態穩定提出了極大的挑戰。為實現對全天球的空間天體高靈敏度的觀測需求，并滿足空間望遠鏡能源和散熱要求，“慧眼”必須采用傾斜軌道，并采用對日定向慢旋姿態、三軸穩定慣性定向姿態、慣性穩定小角度旋轉姿態、三軸穩定軌控定向姿態共四種慣性定向姿態控制方式，且具有大角度姿態機動的能力，從而，保證空間望遠鏡巡天、定點、小天區、銀道掃描四種觀測模式的實現。同時，探測器對時間要求很高，要求記錄某一個到達X光點的準確時間，便于事后分析，因此，必須做到分毫不差。

期待意外發現

“慧眼”上的科學儀器示意圖

人類已探測到幾次引力波，但科學家急切想找到與引力波相對應的電磁波信號，這也是“慧眼”的一項重要使命。

目前引力波事件的定位精度還很差，如果在其發生的同時或者相近時間，在其相同位置發現電磁信號，聯合分析引力波信號和電磁信號會獲得更多關于爆發天體的信息。一些科學家懷疑伽馬射線暴很可能是引力波事件的電磁對應體。

張雙南說：“已經發現的引力波還沒有一個找到電磁對應體。如果只在一個波段觀測，往往信息是不完整的，所以我們非常希望看到引力波產生時也有X射線、伽馬射線或其他波段的信號，這些熟識的電磁波信號能幫助我們更好地認識引力波。”他認為，尋找引力波電磁對應體極為重要?！盎垩邸庇?00千電子伏特至3兆電子伏特能區面積最大的伽馬暴探測器，是目前國際上最好設備的10倍，預計一年可觀測到近200個伽馬暴，在今后引力波電磁對應體的搜尋中有可能取得一錘定音的效果。

“如果能發現引力波的電磁對應體，這將成為‘慧眼’最精彩的科學成果。”張雙南說。

這18個“黑盤子”就是“慧眼”的硬X射線探測器，覆蓋了20千電子伏特～250千電子伏特的觀測能區范圍，將主要用于探測黑洞和中子星

“慧眼”入軌之后的第五天會對其上的科學儀器加電，開始為期5天的整體功能測試，然后進行為期140天的儀器性能測試、在軌標定觀測和試觀測，計劃于2017年11月進入常規科學觀測。

總之，X射線空間天文衛星的發展方興未艾，是空間天文學的最重要前沿領域之一?！?/p>