“慧眼”是如何“活捉”黑洞、“生擒”中子星的

編者按：在中華民族偉大復興的征程中，各行各業涌現出了許多矢志報國、實干創業的大師級榜樣人物，他們是超級總師、兩院院士、大國工匠、文化名家，是全國各領域的領軍人物和行業翹楚。為激勵廣大青少年立下“強國一代中國夢”的鴻鵠志向，提升素養、開闊視野、勇擔歷史重任，他們化身“強國講師”，向青少年講述自己的成長經歷和奮斗歷程，分享自己的科學研究、經驗及感悟，培養青少年的人文素養和科技思維。從本期開始，本刊隆重推出《大師講堂》欄目。每期由一位奮斗在科技創新第一線的大師級專家，向青少年講述“精彩一課”，幫助同學們積蓄精神力量，樹立人生理想，堅守使命擔當，把小我融入大我，一往無前地走向未來！

作者簡介：屈進祿，“慧眼”衛星地面科學應用系統副總師、中國科學院高能物理研究所研究生導師，主要從事X射線雙星的觀測研究。在黑洞、中子星系統中的低頻準周期震蕩現象和吸積盤輻射機制等方面開展了多年的研究，主持、參加多項國家重點項目、面上項目和創新項目。

“慧眼”究竟是什么樣的望遠鏡

從地球誕生的那一刻起，宇宙就以星空的姿態投映在了夜幕上，人們通過觀測星空來認知宇宙，從最初的裸眼觀星，到使用折射望遠鏡和反射望遠鏡，再到運用射電望遠鏡和太空望遠鏡觀星。在我國就有一部叫作“慧眼”的望遠鏡，它不在地面，而是遨游于太空之中，它慧眼如炬，談笑間“活捉”黑洞、“生擒”中子星。“慧眼”究竟是什么樣的望遠鏡，它可以看到哪些奇幻景象呢？讓我們一起來了解神奇的“慧眼”吧！

“慧眼”是我國第一顆X射線天文望遠鏡衛星，它裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器四個探測有效載荷，總質量約為2500千克，處在550千米高的近地圓軌道上，像是架在天上的望遠鏡。

"慧眼"和其他天文望遠鏡有什么區別

“慧眼”和我們地面上的天文望遠鏡所要完成的科學目標是一樣的：收集天體所發出的光，也就是電磁輻射。通過電磁輻射可以了解一個天體的構成、運動規律等信息。但是，其中X光不能穿過地球大氣層，因此我們不得不把探測X光的望遠鏡放到大氣層外，也就是說把它架在太空。這就是“慧眼”與地面天文望遠鏡的一個區別。

說到X光，大家一定不陌生，比如醫院的X光片，火車站及地鐵站的安檢設施，都運用了X光。X光具有很高的穿透本領，能幫助我們看清物質的內在結構，“慧眼”就是通過探測X射線來研究黑洞、中子星、脈沖星等高能天體的物質構成及運動規律的。

在太空中除“慧眼”之外，還有很多顆天文望遠鏡衛星，比較著名的有美國哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線太空望遠鏡以及歐洲的牛頓X射線望遠鏡等。與它們相比，我們的“慧眼”有哪些不同呢？

哈勃空間望遠鏡是一個光學望遠鏡，能夠看到天體外部輻射的結構，而X射線望遠鏡可以更加細致、更加全面地了解天體臨近或者內部的情況。通過X射線望遠鏡，我們能夠看到蟹狀星云內部的結構，比如說中心天體及它周圍的一些吸積盤、噴流等，并形成圖像。現在天空中運行著很多X射線望遠鏡，“彗眼”望遠鏡的面積有5000平方厘米，相對于牛頓X射線望遠鏡和錢德拉X射線太空望遠鏡要大很多。因此，“彗眼”能夠收集到更多的X 射線光，意味著能夠提供更多的信息。另外一個不同在于，“彗眼”望遠鏡的建設過程中，采用了一種快電子學的手段。因此，我們可以研究X射線光與X射線源，即天體輻射出的光的變化，來了解這個天體的其他變化。

"慧眼"為深空探測和星際旅行做出的貢獻

船只在海上行駛，燈塔為我們指引方向，如果我們在宇宙中迷路了，該怎么辦呢？脈沖星，有“外太空的燈塔”之稱，“慧眼”衛星開展了 X射線脈沖星導航實驗，定位精度達到10千米以內，未來我們的深空探測和星際旅行或許就不用擔心迷路了。

在引力波被發現后，我們對引力波源進行了觀測，最終了解到，如果它存在電磁輻射，那么它的輻射會有一個上限，也就意味著有輻射就不會超過一個值。這一個值，對于我們將來的觀測有指導意義。這個發現，就是“慧眼”對于觀測引力波的貢獻。

對于黑洞的觀測，是“慧眼”衛星主要的科學目標。第一張黑洞照片的發布，一方面驗證了我們原先對黑洞的理解是正確的;另一方面，為我們對數據進行分析，解釋觀測現象，提供了一個比較直觀的圖像。這使得我們可以更好、更加深入、更加直觀地研究黑洞。

從 2017年6月15日"慧眼" 衛星發射成功，到現在已經過去4年多了。在這幾年的時間里，我們對黑洞、中子星、脈沖星進行了大量的觀測，而且發現了幾十個γ（伽馬）暴。通過分析這些數據，我們取得了很多的成果，比如對于冕的研究。太陽的外表有一層物質叫作日冕，實際上就是電子氣，這種物質會輻射出X光。我們對中子星的冕進行了觀測研究，觀測中子星的冕的變化，及其附近的物質分布結構。觀測結果是第一次得到了關于中子星附近物質運動形態的一個非常好的描述。

"慧眼"的繼位者將帶來哪些驚喜

如今，越來越多的中國天文衛星發射升空，可以完成不同的科學目標，如“悟空”號暗物質粒子探測衛星、“墨子”號量子科學實驗衛星，以及不久前發射的我國首顆太陽探測科學技術實驗衛星“羲和號”，還有計劃于2022年底發射升空的“愛因斯坦”探針衛星等。“慧眼”的設計壽命是4年，因此不久之后，“慧眼”的繼位者——增強型X射線空間天文臺也將飛入天際。它將為我們帶來哪些驚喜呢？

增強型X射線望遠鏡和“慧眼”望遠鏡相比，做了很大的改進。第一，這是個成像型望遠鏡;第二，它的面積增大了很多，達到了平方米的量級;第三，它的能量分辨率將增加很多，所謂能量分辨率，就是說可以看到更精細的光線;第四，它增加了一個功能，測量X光的另外一種特性偏振。這樣的話，我們可以收集更好的數據和更多的電磁輻射，因此我們也可以更加深入地研究黑洞、中子星，了解它們的結構和相互作用。由于它的這些特性的增強，我們能夠看到黑洞的吞噬事件。因為它讓我們能夠看到更弱的源，這意味著我們就可以看到一個天體掉入黑洞的過程。例如，天體撕裂事件。

我們把于2018年3月由中國科學院啟動的中國新一代空間科學衛星，叫作增強型X射線時變與偏振空間天文臺（英文簡稱“eXTP”）。eXTP項目是由中國發起并領導的，主要包括意大利、德國、瑞士、西班牙、法國、丹麥、捷克、波蘭、荷蘭等20多個空間天文發達國家與地區的100多個研究院（所）共同參與，可能是有史以來中國發起并領導的、由最多發達國家與地區作出實質性貢獻的大型國際合作科學研究項目，計劃于2025年左右發射升空。

人類發射的天文望遠鏡如群星璀璨，是人類安置在太空的千里眼，而所有這些千里眼探測到的科學成果，只構成我們了解宇宙的一塊拼圖。浩瀚宇宙充滿著無窮的奧秘，等你來揭示！

（編輯文墨

實習編輯陳哲怡）