慧眼尋“它”千百度
——記“慧眼”探索極端宇宙5 周年

李小波（中國科學院高能物理研究所）

1 “慧眼”的誕生

“慧眼”硬X 射線調制望遠鏡（HXMT）是我國第一顆X 射線天文衛星，它既可以開展寬波段、大視場X 射線巡天，又能夠定點觀測黑洞、中子星等高能天體的短時標光變和能譜，同時具備對γ 射線暴全天監視的能力。那么，這樣一雙觀天“慧眼”是如何煉成的呢？

HXMT 從概念提出到研制成功前后歷時24 年，其設計思想源于我國學者李惕碚院士和吳枚研究員原創性的“調制解調成像方法”。在幾代人的接續努力下，HXMT 衛星于2017 年6 月15 日在酒泉衛星發射中心成功發射。將其命名為“慧眼”，不僅體現“慧眼”觀測運行的特點，也是為了紀念為我國高能天體物理發展作出杰出貢獻的物理學家何澤慧先生。“慧眼”的成功發射和運行，實現了我國空間X 射線天文衛星“零”的突破，結束了我國高能天文研究長期依賴國外數據的歷史。

1962 年6 月18 日，天文學家賈科尼等用攜帶蓋革計數器的探空火箭在天蝎座方向發現了X 射線輻射，這是人類第一次探測到源于太陽系外天體的X射線，標志著X 射線天文學的誕生。自20 世紀70年代末利用高空氣球觀測硬X 射線開始，我國的X射線天文學經一系列任務的磨練，也迎來了大發展時期。值此X 射線天文學60 周年之際，更是“慧眼”遨游太空5 周年之時，我們將重點介紹“慧眼”是如何開啟對極端天體和極端物理過程的探索，以及所取得的重要科學成果。

2 “慧眼”眼觀三路的能力

在介紹“慧眼”的科學成果之前，我們先簡要了解使“慧眼”具備“眼觀三路，耳聽八方”能力的載荷和科學應用系統。

“慧眼”的科學目標可概括為以下3 個方面：一是對銀道面進行小天區掃描，發現新的高能變源和已知天體的新活動；二是對黑洞和中子星進行高頻次和高統計量監測，理解黑洞和中子星的活動和演化機制；三是利用其擴展到MeV 能段的探測能力，研究γ 射線暴及其他爆發現象。

“慧眼”上搭載了3 個主要科學載荷：高能X射線望遠鏡（HE，20～250keV，5100cm）,中能X 射線望遠鏡（ME，8～35keV，952cm）和低能X 射線望遠鏡（LE，1～10keV，384cm）。這樣的探測器配置使“慧眼”具有寬的X 射線探測能區、硬X 射線能區的大面積、高時間和高能量分辨率、探測死時間小、在軟X 射線能區無光子堆積效應等優點。這使得“慧眼”具有獨特的研究天體多能段X射線快速光變的能力，可以探索比以往更靠近黑洞視界或中子星表面的區域，開啟了研究黑洞、中子星快速光變和能譜特性的新窗口。

“慧眼”是一個面向國際天文界的開放觀測平臺，它的日常運行和管理由“慧眼”科學應用系統負責。科學應用系統全面支持了“慧眼”的多目標、多模式、多約束的觀測需求，提供了觀測任務的高效規劃、科學數據產品的標準化生產及發布、有效載荷的標定、空間本底模型的構建、用戶數據分析專用軟件的維護更新等服務，是科學產出的有力保障。目前已面向國內外科學用戶公開征集5 輪觀測提案，累積收到約240 份提案申請，發布約25TB 的數據產品，為國外12 家研究機構，國內30 多個高校和研究所的500 多位研究人員提供了觀測和數據服務。通過國內外用戶使用的多種分析工具的兼容性檢驗以及與其他衛星數據處理結果的交叉比對，驗證了“慧眼”數據產品和用戶數據分析軟件的可靠性和正確性。基于這些數據和軟件，研究人員取得了多項原創和有顯示度的成果：參與監測了首個雙中子星并合引力波事件（GW170817）的電磁對應體，對該引力波事件在MeV 能段的輻射給出了最嚴格的限制；直接探測到宇宙最強磁場；發現了黑洞雙星系統的最高能量的準周期振蕩；首次證認快速射電暴的磁陀星來源；完成了世界上最高精度的脈沖星導航試驗。

3 五年觀天路，碩果累累

“慧眼”對極端宇宙的探索，主要體現在對極端爆發的監測和探測，對黑洞視界附近最強引力場的探測和對中子星表面最強磁場的探測。下面將對這些代表性的科學成果進行一一介紹。

中國X 射線天文發展大事記

極端爆發——追逐宇宙中最燦爛的煙花

引力波的直接探測獲得了2017 年度諾貝爾物理學獎。探測引力波電磁對應體對研究引力波事件、宇宙學以及基礎物理具有不可替代的作用。2017 年8月17 日，“慧眼”成功監測到全球第一例雙中子星并合事件GW170817 所在天區。在這次天文學歷史上極為罕見的全球規模的聯合觀測中，HXMT 衛星是全球4 個在X 射線和γ 射線波段完整監測引力波以及γ 暴的望遠鏡之一，在200keV～5MeV 能段對該引力波電磁對應體的流量給出了最強限制。“慧眼”第一時間通過γ 暴協調觀測網絡（GCN）發布了觀測結果。由于對引力波事件在MeV 能段的輻射給出了最嚴格的限制，排除了引力波的一些模型，使得“慧眼”團隊的工作獲得國際認可，該結果也被納入了國際多波段、多信使研究引力波的文章。本次探測到引力波以及電磁對應體是天文學家期待已久的重大發現，在天文學以及物理學發展史上具有劃時代的意義，正式開啟了多信使引力波天文學時代。

“快速射電暴”（FRB）是一種持續時間在毫秒量級的宇宙射電暴發現象。這種來自深空的神秘、強大、快速的信號長期困擾著世界各地的天文學家。雖然科學家猜測這類現象的多種可能性，但因為這些暴發非常短暫，很難確定這些事件的性質，甚至有人猜測是外星人發出的信號。2020 年4 月28 日，“慧眼”探測到一個X 射線暴發，與快速射電暴FRB200428 在時間上精準一致，這是第一次探測到快速射電暴的高能對應體，利用其獨特的準直器設計，“慧眼”以遠高于射電望遠鏡的精度將其定位到銀河系內的磁陀星SGR J1935+2154，從而首次證認了快速射電暴的磁陀星起源，為快速射電暴的輻射機制和磁陀星的暴發機制研究提供了至關重要的線索。對“慧眼”數據的進一步分析還發現，該X 射線暴的主暴部分存在一個顯著性為3.4σ，中心頻率為40Hz 的準周期振蕩信號，有效限制了中子星模型。

極端引力——與黑洞共舞

2018 年3 月，距地球大約1.13 萬光年處的黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 發生爆發，而且在相當長一段時間里是天空中超亮的X 射線源之一，“慧眼”隨即對這個天體的爆發進行了140 多次的觀測。在高于200keV 以上的能段發現這個黑洞雙星系統中的準周期振蕩（QPO），這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO 現象。

“慧眼”將FRB200428 定位（白色等高線代表“慧眼”定位的1σ，2σ，3σ 區域）到磁陀星SGR J1935+2154 方向（紅色十字架），紅圈和藍點代表國外的兩個射電望遠鏡的定位區域（95%的置信區間）

低頻QPO 發現于20 世紀80 年代，它在黑洞雙星中普遍存在。關于它的物理起源一直存在爭議，有些科學家認為，當伴星的物質被黑洞吸引，在旋轉落向黑洞的過程中會形成吸積盤，而在這個過程中，吸積盤上可能會出現一些不穩定性，引起X 射線輻射發生類似周期性的調制，產生低頻QPO。另一些科學家則認為黑洞附近的等離子體進動也可產生類似的周期調制。“慧眼”觀測到的QPO 高達200keV，將QPO 產生的源頭直接定位到黑洞視界附近的相對論噴流（向外高速運動的等離子體流）的進動。“慧眼”的觀測結果為解決一直以來存在爭議的低頻QPO 物理起源問題提供了重要依據，這也是迄今觀測到的距離黑洞最近的相對論噴流。

“ 慧眼” 獲得的黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 的能譜數據還表明，該系統中還存在逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流。進一步的研究發現，等離子體流存在顯著的速度演化，當等離子體流趨向黑洞收縮的同時，也以相對論速度向外運動，而且等離子體流的尺度越小，速度越大。這項成果為研究黑洞吸積過程提供了重要依據。

MAXI J1820+070 小尺度的噴流進動模型示意圖

極端磁場——16 億特斯拉

中子星是宇宙中具有最強磁場的天體。中子星X 射線雙星系統由中子星與其伴隨恒星組成，伴隨恒星的氣體在引力作用下落向中子星，形成圍繞中子星高速轉動的氣體盤，稱為吸積盤。如果磁場較強，吸積盤上的等離子體將沿著磁力線落到中子星表面，并發出強烈的X 射線輻射。由于中子星的轉動，X射線發射區隨之旋轉，形成周期性的X 射線脈沖信號，因此這類天體也被稱為“X 射線吸積脈沖星”。大量觀測發現，這一類天體在X 射線輻射能譜上會出現“凹陷”結構，理論認為這是電子在磁場中回旋共振散射造成的，因此被稱為回旋吸收線，吸收線處的能量對應著磁場強度，利用該現象可以直接測量中子星表面附近的磁場強度。

MAXI J1820+070 爆發期間噴流內部的物質外流加速的現象

2017 年8 月，“慧眼”對X 射線吸積脈沖星GRO J1008－ 57 的一次爆發活動進行了詳細觀測，首次在X 射線能譜中以高于20σ 的顯著性，在90keV 附近發現了一條回旋吸收線。該回旋吸收線對應的中子星表面磁場強度高達10 億特斯拉，比實驗室中能夠產生的幾十特斯拉的最強磁場高了幾千萬倍。這是“慧眼”首次高精度直接測量到宇宙中的最強磁場。

2020 年12 月，“慧眼”刷新中子星回旋吸收線能量的世界紀錄，在1A 0535+262 雙星系統中，以超過10σ 顯著性在100keV 處發現第一諧頻回旋吸收線。

2022 年6 月，“慧眼”再次刷新回旋吸收線能量以及宇宙最強磁場直接測量紀錄。“慧眼”以6～18σ 顯著性在146keV 附近探測到脈沖星Swift J0243.6+6124 的基頻回旋吸收線，創出新的最高能量世界紀錄，對應中子星表面16 億特斯拉磁場。

脈沖星導航——星際旅行不再迷航

X 射線脈沖星導航是一種新型的自主導航方法，它利用宇宙中遙遠的天體——脈沖星發出的精確的周期性脈沖信號為太空中的航天器提供導航和授時服務。脈沖星是一類高速轉動的中子星，其脈沖信號的長期時間穩定度很高，堪比甚至優于地球上的原子鐘，可作為宇宙中的時間基準，因此脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中的“天然GPS 衛星”。如同地面使用衛星信號進行導航一樣，航天器通過觀測脈沖星，也可以實現自主導航，即脈沖星導航。

利用“慧眼”的X 射線望遠鏡數據成功開展了X 射線脈沖星導航實驗；綜合利用“慧眼”上的高、中、低能X 射線望遠鏡對蟹狀星云脈沖星持續5 天的定點觀測數據，定位精度可達到10km（3 倍標準偏差），與“國際空間站”（ISS）上美國同類實驗精度相當，進一步驗證了航天器利用脈沖星自主導航的可行性，為未來在深空的實際應用奠定了基礎。

Swift J0243.6+6124 在146keV 處發現“凹陷”結構（對應中子星表面16 億特斯拉的磁場）

基于“慧眼”數據取得的原創科學成果，得到了黨和國家的高度肯定。習近平主席在2018 年的新年賀詞中將“慧眼衛星遨游太空”列為了2017 年我國標志性科技創新成果的第一條。在2021 年“科技三會”上，習近平總書記將“慧眼號直接測量到迄今宇宙最強磁場”列為“基礎研究和原始創新取得重要進展”之一。

4 任重而道遠

1970 年,美國發射了第一顆X 射線天文衛星，時隔近50 年后，我國發射了第一顆空間X 射線天文望遠鏡，和國外已有近百顆天文衛星相比，我們在該領域起步較晚，但“慧眼”仍憑借其獨特的優勢，開啟了黑洞和中子星研究的新窗口。

宇宙的各種極端爆發現象，黑洞和中子星等高能天體的行為和性質，是非常吸引人的自然奧秘，它們同時又提供了地球上無法實現的極端物理環境，為基本物理規律的檢驗和發展創造了條件。因此，對極端宇宙的探索是天文學和物理學共同的前沿問題。美國21 世紀20 年代天文10 年規劃繼續把X 射線天文作為優先發展領域之一，推薦盡快補上近期可能會停止運行的空間X 射線天文衛星，表明這一領域是國際競爭異常激烈的熱點領域。

在“慧眼”成功研制和運行的基礎上，我們也將踏上新的征途，打造以探索極端磁場、極端引力、極端密度為核心科學目標的增強型X 射線時變與偏振空間天文臺（eXTP）。作為“慧眼”的繼任者，eXTP 將利用宇宙極端條件的天然實驗室，以前所未有的精度對重要的基礎物理理論進行檢驗，并可能帶來對現有理論框架的突破，為回答“黑洞附近會發生什么，中子星內部是什么結構以及由什么物質組成，強磁場中的真空漲落具有什么性質”等重大科學問題作出突破性貢獻。