中國首顆x射線天文衛星征程

王剛

“慧眼”望遠鏡將被用于巡視銀河系中的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，發現新天體或已知天體的新活動

望遠鏡的出現，讓人類的目力所及，從銀河系拓展到更遠的其他星系。天文學家對望遠鏡的追求，也再沒停止過——要更強、更大、更清晰，還要繞開大氣層的阻礙，架進太空。于是，有了FAST，有了哈勃，有了剛剛睜開的“慧眼”。

2017年6月15日上午11點，中國在酒泉衛星發射中心用長征四號乙運載火箭，成功發射硬X射線調制望遠鏡衛星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）“慧眼”。科學家們希望它是觀察宇宙的一只“慧眼”，同時也為紀念高能物理領域內的杰出女科學家何澤慧。6月16日，“慧眼”就成功把第一批數據傳送回來，經驗證，數據質量良好。

從外形和體格來看，“慧眼”衛星并不算大，只有2500千克。不過從工程和技術指標上講，這顆衛星在同類衛星中優勢非常明顯，其功能、性能非常強，可對宇宙天體高能事件實現全天時、大范圍觀測。不同于鏡面望遠鏡受制于其面積和視場，在巡天過程中，“慧眼”探測面積更大、探測到的信號更多、效率也更高。要想了解這顆新型衛星，就必須先熟悉兩個概念：“硬X射線”和“調制”。

看不見的宇宙

“硬X射線”是X射線的一種。對X射線，我們是熟悉的，在醫院拍攝透視片，在各類安檢中，都接觸過它。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，需要用X射線觀察才能發現。所以，發射望遠鏡衛星在空間軌道捕捉X射線，特別是硬X射線，就成為各國科學家競相追逐的目標。

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”打進水塘里一樣，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。能量越高，“炮彈”的速度就越快，X射線也就越“硬”。按照傳統劃分，能量在20千電子伏（keV）以上的X射線，就被稱為硬X射線；能量在10 keV以下的，就被稱為軟X射線。

人類第一個X射線天文衛星叫“烏呼魯”（Uhuru），是在美國科學家里卡爾多·賈科尼（Riccardo Giacconi）領導下于1970年在肯尼亞發射升空，在約3年的運行時間里，確定了350個X射線源，包括X射線雙星、超新星遺跡、星系團、塞弗特星系等。賈科尼因在X射線天文學方面的先驅性貢獻而被授予2002年的諾貝爾物理學獎。

調解成像的優勢

“慧眼”衛星設計壽命4年，呈立方體構型，在距離地面550公里的軌道上運行。“慧眼”攜帶了高能、中能和低能三種望遠鏡和空間環境監測器，實現X射線探測全覆蓋，可觀測1-250keV能量范圍的X射線和200keV-3MeV能量范圍的伽瑪射線。其主要載荷為18個復合晶體探測器，這些探測器也正是“慧眼”的眼睛。

“慧眼”衛星采用直接解調成像方法，通過掃描觀測可以完成寬波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線成像，具有復雜的熱控保障、對地測控與數傳保障，以及載荷長期工作下的能源保障能力。與復雜、昂貴的編碼孔徑成像系統相比，直接解調方法具有簡單準確的優勢。

由于更充分地利用了數據中有關測量對象和測量儀器的信息，同樣的數據經“直接解調”方法可以得到比傳統方法好得多的反演結果，分辨率高，同時噪音干擾被有效抑制，背景異常干凈，可以極大提高探測定位的精度。

“慧眼”的主要工作任務

“慧眼”衛星是繼中歐合作地球空間探測雙星，“悟空”號暗物質粒子探測衛星和“墨子”號量子科學實驗衛星之后，中國又一顆重要的空間科學衛星。

“慧眼”主要工作包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描。具體來說，“慧眼”將開展四方面的空間探測活動：一是將對銀道面進行巡天觀測，發現新的高能變源和已知高能天體的新活動；二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質，加深對致密天體和黑洞強引力場中動力學和高能輻射過程的認識；三是在硬X射線、軟伽瑪射線能區獲得伽馬射線暴及其他爆發現象的能譜和時變觀測數據，研究宇宙深處大質量恒星死亡以及中子星并合等導致的黑洞形成過程；四是探索利用X射線脈沖星進行航天器自主導航的技術和原理，并開展在軌實驗。

“挑剔”的望遠鏡

對很多不了解背景的人來說，“慧眼”仿佛一夜之間橫空出世，并且一步把中國帶入到X射線天文學時代。而對于中國天文學家而言，這是一個漫長而焦灼的過程，并在此間克服了重重困難。

1. 監測“慧眼”長期在軌狀態。“慧眼”設計壽命長達4年，入軌后，將在空間環境下長期運行。一方面，空間環境畢竟和地面環境不一樣；另一方面，隨著探測器的長期工作，可能會出現老化現象。這些因素都可能導致探測器性能指標的漂移，為了監測“慧眼”長期在軌運行狀態，中國計量院和中科院高能所基于放射性活度計量技術，為“慧眼”研制了18枚活度在豁免水平的在軌標定放射源，隨時都可以對探測器的性能指標進行監測，并以此為依據及時對相關參數進行調整，保障衛星在軌運行期間的性能穩定。

2. 沒有關機重啟的直播。作為一個全天時工作的天文觀測衛星，“慧眼”的數據傳輸系統被形象地稱為24小時無間斷且沒有關機重啟的直播。于一般衛星而言，對受到影響的衛星設備實施關機重啟，是糾正錯誤的一種被動選擇。不過，針對需要數據傳輸4年不間斷工作的“慧眼”來說，關機重啟就意味著數據中斷，有關任務目標就無法實現。于是，科研人員給“慧眼”配了一名專屬的“太空信使”—數據傳輸分系統。它的主要功能是將硬X射線望遠鏡搜集到的數據，實時傳輸到數據記錄系統或通過無線方式傳輸到地面接收站。

3. 避免單粒子翻轉的影響。太空中的強輻射對衛星的敏感器件來說可是“致命殺手”。研制人員在衛星容易受輻射影響的部位加厚防輻射包裹——類似孕期的準媽媽常穿著防輻射服，來保護腹中的寶寶一樣。當然，這一層威脅還較容易得到化解，但是免于單粒子翻轉對衛星芯片等產品的影響要復雜和艱難得多。

所謂單粒子翻轉，是指宇宙中單個高能粒子射入半導體器件靈敏區，使器件邏輯狀態翻轉的現象。衛星和地面計算機一樣，數據均是采用二進制的“0”“1”來存儲、傳輸和讀取。單粒子不定期來襲時，數據傳輸分系統的某些器件一旦受到高能單粒子的撞擊，就會使存儲的“0”變成“1”，或者“1”變為“0”，導致數據嚴重錯誤，重者會導致傳輸中斷，更別說正確解讀、實時傳輸天文數據了。為此，科學家將重要數據分別存儲3次，也就是給1個數據做兩個備份。如果數據被高能單粒子篡改，系統會根據另外兩個沒有被改變的數據，進行自我修復。

4. 不能見太陽的望遠鏡。從值守的位置來看，必須確保“慧眼”望遠鏡不見太陽，直射、斜射都不行，以免輻射增溫，增加探測器的噪聲。為此，科研團隊采取主動和被動控溫相結合的方法，采取多極隔熱、深冷熱管技術以及優化觀測狀態等手段，多管齊下，盡可能滿足衛星有效載荷的苛刻需求。還很溫馨地給衛星戴上了一頂“太陽帽”——遮陽板。

“屬于中國人”的未知宇宙

經過60多年的發展，中國航天在空間技術、空間應用、空間科學三大領域均取得了長足的進步。“慧眼”衛星的成功發射，將顯著提升大型科學衛星的研制水平，填補中國空間X射線探測衛星的空白，實現中國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。

與歐美發達國家相比，中國在空間科學方面無疑還處于起步階段，但仍然有迎頭追趕的機會。中國硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”，將是今后這段時期研究黑洞動力學過程獨一無二的“利器”，是X射線天文學發展史上的一座里程碑。

有太多秘密還隱藏在那片未知的宇宙當中。“慧眼”就像一座太空中的天文臺，讓科學家能夠望向那片未知，能探索未知的奧秘。這當然只是中國天文學家邁向太空的一小步，但也許是最重要的一步。因為這一步，中國天文學家邁進了那片“屬于自己”的未知宇宙。

（作者為中國科學院物理研究所研究員）