“慧眼”的慧眼

南方周末特約撰稿　鞠強

慧眼衛星是我國首顆X射線天文衛星，發射3年多來，已經取得了一系列重要的研究成果。

中科院高能所?圖

★中美兩國科學家利用慧眼衛星的最新觀測成果破解了快速射電暴起源之謎，并為理解快速射電暴的輻射機制和磁星的爆發機制提供了重要的數據。

宇宙中一些原因未知的極端現象會引發科學家乃至公眾的極大興趣，這些現象經常還會同外星生命、外星文明聯系在一起。探尋這些現象背后的物理機制、回答這些現象的起源之謎成為天體物理學家的重要工作之一。

2021年2月19日，由中國科學院高能物理研究所（高能所）領銜，北京師范大學、美國內華達大學、清華大學等單位參與的研究成果發表在《自然·天文學》（Nature Astrono-my）上。這篇論文公布了慧眼衛星的最新觀測成果：慧眼衛星發現首個同快速射電暴相關聯的X射線暴，確認其來自銀河系內的磁星SGR J1935+2154，并在國際上首先證認該X射線暴包含的兩個X射線脈沖是快速射電暴的高能對應體。這一發現證明快速射電暴可以起源于磁星爆發，破解了快速射電暴的起源之謎，并為理解快速射電暴的輻射機制和磁星的爆發機制提供了至關重要的數據。高能所相關研究人員在同日召開的“慧眼天文衛星證認快速射電暴來自于磁星”新聞發布會上對該項研究進行了介紹。

慧眼衛星全稱是慧眼硬X射線調制望遠鏡（Insight-HXMT），是我國首顆X射線天文衛星。1993年，中科院院士李惕碚等人提出了慧眼衛星的項目建議書。2011年3月，國防科工局正式批復慧眼立項，同時慧眼也被列入中國科學院空間科學先導專項。2017年6月15日，慧眼衛星發射升空。發射3年多來，慧眼衛星已經取得了一系列重要的研究成果。

快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB）是一種持續時間短但能量極高的射電脈沖，科學家此前猜測這種現象是起源于銀河系外遙遠宇宙深處的一種未知的高能天體物理過程。2007年，美國西弗吉尼亞大學的天文學家鄧肯·洛里默（Dun-can Lorimer）等人首次在搜尋脈沖星的過程中發現了快速射電暴。此后，這類奇異的現象引起了天文學家的關注，試圖解釋這一現象的理論也層出不窮，包括來自超新星爆發、中子星或者黑洞的合并等。

2007年以來，天文學家一直在對快速射電暴進行觀測和分析。但與指向某些特定天體的觀測不同，快速射電暴突然出現又突然消失，天文學家無法提前做好準備，因此觀測難度極大，而且十幾年來都無法確定快速射電暴的來源。2020年4月28日，加拿大CHIME實驗和美國STARE2實驗同時觀測到一次亮度極高的快速射電暴，這次快速射電暴被命名為FRB200428，其方向與銀河系內的磁星SGR J1935+2154方向大概一致，而且根據恒星際介質對不同頻率射電信號之間的時間延遲推算，快速射電暴源距離地球大約3萬光年，也跟SGR J1935+2154大致相符。因此，科研人員推斷FRB200428很可能起源于銀河系內的這顆磁星，但還需要其他觀測證據的支持。

磁星是表面磁場強度為地球磁場強度百萬億倍以上的中子星，在活躍期間會出現劇烈的X射線爆發。高能所研究員、慧眼衛星首席科學家張雙南在發布會上介紹，2020年4月中旬，SGR J1935+2154進入了一個新的活躍期，開始出現頻繁的X射線爆發，因此慧眼團隊調整了衛星的觀測計劃，從4月28日15:14:52到4月29日19:53:01對該磁星進行了公開長機會目標觀測。在FRB200428之前約8.6秒，慧眼衛星探測到了來自這顆磁星方向的一個極亮的X射線爆發。這個時間差別正好與恒星際物質對射電信號的延遲相當，說明X射線暴和快速射電暴起源于同一次爆發。此外，慧眼衛星基于獨特的準直器設計，對X射線暴進行了高精度定位，從而證明了該X射線暴和快速射電暴都來自這顆磁星。

這是人類首次確認快速射電暴的起源天體，也是首個起源于銀河系內的快速射電暴。FRB200428的發現對于理解快速射電暴的物理本質，是一個重要的里程碑。關于FRB200428的相關研究成果，被英國《自然》雜志評為2020年十大科學發現之一，也被美國《科學》雜志列入2020年十大科學突破。

2020年5月10日，經過緊鑼密鼓的數據分析，慧眼團隊正式提交了這次發布的論文。在正式發表論文前，慧眼團隊已經將論文在預印本網站arXiv上發布，并產生了廣泛的影響。慧眼衛星在完成最初的目標觀測后，又對該磁星進行了為期一個月的觀測，其間探測到一百多次X射線暴，為此后的研究積累了寶貴的數據。

在一些科幻作品中，外星生命會通過發射射電信號與人類溝通，因此快速射電暴的發現也曾經引發了與外星生命有關的聯想。人類長久以來都在暢想外星生命，并進行過搜尋外星生命的努力，但隨著慧眼衛星等探測器和射電望遠鏡對磁星SGR J1935+2154的觀測，科學家已經證認了快速射電暴的來源，磁星極端的物理環境沒有為生命的存在留下任何空間。

慧眼衛星是中科院空間科學戰略性先導科技專項首批立項的4顆科學衛星之一，我國的空間科學衛星由此正式起步。目前，由高能所牽頭的國際團隊已經提出慧眼繼任者的方案，這個下一代的科學衛星被命名為增強型X射線時變與偏振空間天文臺（eXTP）。早在2007年慧眼衛星還未正式立項之時，高能所的科研團隊就已經提出了eXTP的設想，體現出大型空間科學項目的前瞻性。

eXTP目前計劃在2027年左右發射升空，在中子星、黑洞等天體的研究方面，它的綜合性能相比國際同類衛星會有一個數量級以上的提升，將使中國的空間高能天文研究達到國際領先水平。銀河系外的快速射電暴距離我們更遠，相應的信號非常微弱。eXTP將成為探測它們的一件利器，幫助我們真正理解快速射電暴的物理機制，進而加深對宇宙極端高能現象的理解。