□ 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(tuán)五院供圖

6月15日11點(diǎn)00分，我國成功把“慧眼”硬X射線空間天文衛(wèi)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(zhuǎn)、宇宙深處猛烈的爆炸……這架搭載長四乙火箭進(jìn)入太空近圓軌道的X射線空間天文衛(wèi)星，將巡視銀河系中的X射線源，詳細(xì)研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測伽馬射線暴，探索利用脈沖星為航天器導(dǎo)航。此次發(fā)射還搭載了國內(nèi)外3顆小衛(wèi)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(zhì)和特性不同，所以它們所輻射的電磁波也不同?？臻g望遠(yuǎn)鏡就是通過探測各種天體所輻射的不同波譜、不同強(qiáng)度的電磁波，對宇宙進(jìn)行詳盡探查。

另外，宇宙中的天體由于溫度不同而發(fā)出各種頻段的電磁波，因此僅靠1臺空間望遠(yuǎn)鏡很難進(jìn)行全部波段的觀測，必須研制各個波段的空間望遠(yuǎn)鏡。一般來說，天體溫度越高，發(fā)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(fā)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(zhì)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(dāng)中顯現(xiàn)出來的性質(zhì)也有所不同。X射線因?yàn)椴ㄩL極短，能量又很高，在傳播的時候更接近粒子。當(dāng)我們把一臺普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)X射線天體的時候，X射線不會像可見光那樣在鏡面上發(fā)生反射或折射，而會像一粒?！芭趶棥敝蓖νΥ蜻M(jìn)水塘里一樣，就被吸收了。因此，使用普通的光學(xué)望遠(yuǎn)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(xué)家的傳統(tǒng)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(fā)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(shù)眾多的中子星和黑洞。它們有的根本不會發(fā)出可見光，有的被厚厚的塵埃所遮擋。普通的可見光望遠(yuǎn)鏡都看不到它們的影子，需要在X射線波段觀察才能發(fā)現(xiàn)。目前，在太空運(yùn)行的空間紅外望遠(yuǎn)鏡中約有一半都是高能空間紅外望遠(yuǎn)鏡。

空間科學(xué)之重器

“慧眼”空間天文衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命4年，質(zhì)量2496千克，運(yùn)行在高550千米、傾角43°的近地圓軌道。衛(wèi)星本體呈立方體構(gòu)型，同時安裝了高、中、低能三組X射線望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上是一座小型空間天文臺。

這顆衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了1千電子伏特～250千電子伏特的能區(qū)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(jī)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(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器共4個探測有效載荷。其中高能X射線望遠(yuǎn)鏡是世界上在20千電子伏特～250千電子伏特能區(qū)探測器面積最大的望遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)其他望遠(yuǎn)鏡看不到的現(xiàn)象，還可同時用于對特定X射線源進(jìn)行高精度定點(diǎn)觀測，又可以進(jìn)行掃描成像觀測?！盎垩邸钡囊晥鲆埠艽?，約兩天即可完成對銀道面的掃描，有利于監(jiān)測暫現(xiàn)源。

上，因此它還具有觀測亮源的優(yōu)勢。

▲ 長四乙火箭送“慧眼”升空

所謂準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡，即只有位于準(zhǔn)直器視場內(nèi)的天體發(fā)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(yuǎn)鏡在掃過不同區(qū)域時探測器的計(jì)數(shù)率也在變化，通過分析計(jì)數(shù)率變化和望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)之間的關(guān)系，可以重建獲得天空X射線源的位置和流強(qiáng)。掃描觀測是“慧眼”發(fā)現(xiàn)監(jiān)視已知源的流強(qiáng)變化以及發(fā)現(xiàn)新天體的主要手段。定點(diǎn)觀測則是指向某一天體進(jìn)行長時間的觀測，可以研究天體的X射線光變和能譜性質(zhì)。我國科學(xué)家又開發(fā)了一種新的觀測模式，即通過調(diào)整高能X射線空間天文衛(wèi)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(jiān)視器，探測天空的硬X射線和軟伽馬射線暴發(fā)現(xiàn)象。

空間環(huán)境檢測器裝在衛(wèi)星載荷艙的外面，是為了監(jiān)測衛(wèi)星所處的帶電粒子環(huán)境，對“慧眼”在軌可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷，并為望遠(yuǎn)鏡的本底估計(jì)提供輔助數(shù)據(jù)。

特別值得一提的是，在“慧眼”首席科學(xué)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(dāng)調(diào)整，高能望遠(yuǎn)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(chuàng)新設(shè)想將“慧眼”的觀測能區(qū)進(jìn)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(xué)目標(biāo)：一是進(jìn)行大天區(qū)的X射線巡天，發(fā)現(xiàn)新的天體或已知天體的新活動；二是對X射線雙星系統(tǒng)進(jìn)行高精度的定點(diǎn)觀測，研究其快速光變；三是觀測孤立脈沖星、強(qiáng)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(zhì)的狀態(tài)方程；四是監(jiān)測200千電子伏特～3兆電子伏特能區(qū)暴發(fā)現(xiàn)象，研究伽馬射線暴，尋找引力波暴的電磁對應(yīng)體。

其主要工作模式包括巡天觀測、定點(diǎn)觀測和小天區(qū)掃描模式。在正常工作模式下，“慧眼”可以實(shí)現(xiàn)1千電子伏特～250千電子伏特能區(qū)的大天區(qū)巡天和定點(diǎn)觀測；在伽馬射線暴工作模式下，可以監(jiān)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(qū)的暴發(fā)現(xiàn)象。

與目前在軌運(yùn)行的7個國外X射線空間天文衛(wèi)星相比，“慧眼”有以下優(yōu)勢：具有大天區(qū)、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(diǎn)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(shí)現(xiàn)大天區(qū)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?xiàng)l件下的動力學(xué)和輻射過程。

帕金森病癡呆患者在臨床上發(fā)病率較高,可包括運(yùn)動癥狀及非運(yùn)動癥狀,發(fā)病原因尚未在臨床上進(jìn)行準(zhǔn)確闡述,相關(guān)性影響因素包括環(huán)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(jù)相對優(yōu)勢的是膽堿能系統(tǒng)活動,可導(dǎo)致患者出現(xiàn)腦損害,可導(dǎo)致患者生活質(zhì)量嚴(yán)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(jìn)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(fā)生、發(fā)展到結(jié)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(xiàn)時的時變過程是怎樣的，且比國際上其他同類衛(wèi)星時間分辨率有大幅提升，這對于推動突發(fā)天體現(xiàn)象研究的深入意義重大。

其國際先進(jìn)的暗弱變源巡天能力，可進(jìn)行引力波暴電磁對應(yīng)體的尋找和后隨觀測；其高能X射線空間天文衛(wèi)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(qū)對伽馬射線暴全天監(jiān)測，且接收面積10倍于目前國際上最好的設(shè)備，從而大幅提高了在該能區(qū)探測伽馬射線暴、搜索引力波暴的電磁波對應(yīng)體的靈敏度，對伽馬射線暴和引力波暴電磁對應(yīng)體的觀測具有重要意義，在國際上具有明顯的競爭力，且預(yù)期能夠產(chǎn)生重要科學(xué)成果。它將在國際上首次系統(tǒng)性地獲得銀河系內(nèi)高能天體活動的動態(tài)圖景，發(fā)現(xiàn)大量新的天體和天體活動新現(xiàn)象。由于具有獨(dú)特的研究X射線雙星多波段X射線快速光變的能力，預(yù)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(wèi)星研制現(xiàn)場 攝/南勇

“盡管其他國家已發(fā)射的同類衛(wèi)星開展過巡天觀測，但絕大多數(shù)X射線源都是變源，會不定期發(fā)生劇烈的耀發(fā)，不是一兩次巡天就能發(fā)現(xiàn)的，因此‘慧眼’將反復(fù)開展巡天掃描，及時探測銀河系內(nèi)天體源的耀發(fā)?！薄盎垩邸笨臻g天文衛(wèi)星首席設(shè)計(jì)師張雙南說。

“黑洞能產(chǎn)生X射線等各種輻射，還有可能產(chǎn)生高能宇宙線以及強(qiáng)烈的噴流。它們究竟在干什么？現(xiàn)在人類只有二三十個黑洞的樣本，能發(fā)現(xiàn)更多當(dāng)然好，對已發(fā)現(xiàn)的黑洞我們也希望研究得更清楚，找到黑洞只是開始。”張雙南說。

據(jù)他描述，黑洞有時很“冷靜”，有時很“暴躁”。當(dāng)它“發(fā)脾氣”時，產(chǎn)生的X射線流強(qiáng)特別高。國外的衛(wèi)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(nèi)部是什么。它們具有超強(qiáng)的引力場、電磁場和核密度，可謂極端物理的天然實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度，研究高密度、強(qiáng)磁場下物質(zhì)的性質(zhì)?！睆堧p南說。

▲ 衛(wèi)星研制現(xiàn)場 攝/南勇

“慧眼”巡天要“打傘”

其實(shí)，“慧眼”不僅望遠(yuǎn)鏡本領(lǐng)很大，由航天科技集團(tuán)五院研制的支撐平臺也非常了不起。因?yàn)椤盎垩邸鄙系目茖W(xué)設(shè)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(yuǎn)鏡不見太陽、地球和衛(wèi)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(yuǎn)鏡對溫度指標(biāo)要求懸殊，指標(biāo)最大溫差達(dá)60攝氏度。必須采取主動控溫和被動控溫相結(jié)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(shù)以及優(yōu)化觀測狀態(tài)等方法實(shí)現(xiàn)載荷要求。

該空間天文衛(wèi)星不同于常規(guī)太陽同步軌道對地遙感衛(wèi)星，要實(shí)現(xiàn)全天區(qū)掃描的要求，這對“慧眼”姿態(tài)穩(wěn)定提出了極大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)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(tài)、三軸穩(wěn)定慣性定向姿態(tài)、慣性穩(wěn)定小角度旋轉(zhuǎn)姿態(tài)、三軸穩(wěn)定軌控定向姿態(tài)共四種慣性定向姿態(tài)控制方式，且具有大角度姿態(tài)機(jī)動的能力，從而，保證空間望遠(yuǎn)鏡巡天、定點(diǎn)、小天區(qū)、銀道掃描四種觀測模式的實(shí)現(xiàn)。同時，探測器對時間要求很高，要求記錄某一個到達(dá)X光點(diǎn)的準(zhǔn)確時間，便于事后分析，因此，必須做到分毫不差。

期待意外發(fā)現(xiàn)

“慧眼”上的科學(xué)儀器示意圖

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

目前引力波事件的定位精度還很差，如果在其發(fā)生的同時或者相近時間，在其相同位置發(fā)現(xiàn)電磁信號，聯(lián)合分析引力波信號和電磁信號會獲得更多關(guān)于爆發(fā)天體的信息。一些科學(xué)家懷疑伽馬射線暴很可能是引力波事件的電磁對應(yīng)體。

張雙南說：“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的引力波還沒有一個找到電磁對應(yīng)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(chǎn)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(rèn)識引力波?！彼J(rèn)為，尋找引力波電磁對應(yīng)體極為重要?！盎垩邸庇?00千電子伏特至3兆電子伏特能區(qū)面積最大的伽馬暴探測器，是目前國際上最好設(shè)備的10倍，預(yù)計(jì)一年可觀測到近200個伽馬暴，在今后引力波電磁對應(yīng)體的搜尋中有可能取得一錘定音的效果。

“如果能發(fā)現(xiàn)引力波的電磁對應(yīng)體，這將成為‘慧眼’最精彩的科學(xué)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(qū)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(xué)儀器加電，開始為期5天的整體功能測試，然后進(jìn)行為期140天的儀器性能測試、在軌標(biāo)定觀測和試觀測，計(jì)劃于2017年11月進(jìn)入常規(guī)科學(xué)觀測。

總之，X射線空間天文衛(wèi)星的發(fā)展方興未艾，是空間天文學(xué)的最重要前沿領(lǐng)域之一?！?/p>