文/戴銘玨

多面手“慧眼”

2017 年6 月15 日，我國(guó)第一顆X 射線(xiàn)天文衛(wèi)星被發(fā)射上天，運(yùn)行在550 千米的近地圓軌道上。它就是“慧眼”衛(wèi)星，全稱(chēng)為“硬X 射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”（簡(jiǎn)稱(chēng)HXMT）。從此，“慧眼”衛(wèi)星開(kāi)始凝視暗黑的星空，不為眺望點(diǎn)點(diǎn)繁星，而是為了探測(cè)人類(lèi)肉眼看不到的X 射線(xiàn)。

隨著人類(lèi)探索的深入，天文學(xué)的研究早已不再局限于傳統(tǒng)的可見(jiàn)光波段，而進(jìn)入了能夠?qū)﹄姶挪ㄈǘ芜M(jìn)行觀(guān)測(cè)的全波天文學(xué)時(shí)代。電磁波的全波段不僅包括可見(jiàn)光、射電波、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)，還有高能量的X 射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)等。近幾年，這些高能量的電磁波在許多激烈的天體活動(dòng)中被發(fā)現(xiàn)，成為目前研究的重點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，高能天文學(xué)的觀(guān)測(cè)時(shí)代來(lái)臨了，“慧眼”就是這個(gè)時(shí)代中為了觀(guān)測(cè)X 射線(xiàn)的產(chǎn)物。

要想觀(guān)察到X 射線(xiàn)，首先X 射線(xiàn)必須聚焦成像。光遇到鏡盤(pán)會(huì)發(fā)生反射并聚焦，但是，X 射線(xiàn)能量極大，能夠穿透鏡盤(pán)不產(chǎn)生反射，因而無(wú)法聚焦。要想讓X射線(xiàn)聚焦成像，就需要以很低的角度掠射到鏡盤(pán)。就像是一個(gè)球，當(dāng)從側(cè)面打到墻壁上的時(shí)候，就會(huì)彈射到墻的另一面，這也就實(shí)現(xiàn)了聚焦。所以，X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡被稱(chēng)為“掠射望遠(yuǎn)鏡”。

按照這種原理設(shè)計(jì)的X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，擁有一個(gè)看似奇怪的外觀(guān)：很多根非常細(xì)的管子指向太空。當(dāng)X 射線(xiàn)進(jìn)入管子的時(shí)候，會(huì)擊打在管壁上，碰撞后再反射，最后都掠射到鏡面上，從而在鏡面上聚焦成像。

“慧眼”并不是X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，而是包括3 組X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的X 射線(xiàn)衛(wèi)星。這3 組X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡分別接收低、中、高三種能量的不同射線(xiàn)。其中，高能X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)接收20 千電子伏特以上的X 射線(xiàn)，低能X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)接收能量在10 千電子伏特以下的X 射線(xiàn)。所以，“慧眼”同時(shí)具有3 種能力，雖然這些功能都不強(qiáng)大，卻是個(gè)多面手。

“慧眼”識(shí)“英雄”

宇宙中的恒星都能夠發(fā)出光和熱，是一個(gè)個(gè)巨大的核反應(yīng)堆。但是，它們會(huì)走向垂暮，走向死亡。當(dāng)氫元素消耗完，整個(gè)恒星就不能繼續(xù)燃燒，于是，一場(chǎng)超新星爆發(fā)就會(huì)讓它改頭換面，成為白矮星、中子星或者黑洞，這些都是致密的恒星。

致密的恒星不僅密度高，而且還具有超級(jí)強(qiáng)悍的磁場(chǎng)。強(qiáng)悍的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生高能宇宙射線(xiàn)，這些高能宇宙射線(xiàn)要比光子攜帶的能量高得多。

恒星活著的時(shí)候光芒萬(wàn)丈，像是個(gè)英勇的武士，消亡之后則成為不死的英雄，“慧眼”衛(wèi)星就專(zhuān)門(mén)研究這種“英雄”。“慧眼”開(kāi)啟搜尋模式，就可以尋找能發(fā)出X 射線(xiàn)的天區(qū)，分辨其中誰(shuí)最強(qiáng)大。

2020 年8 月，“慧眼”衛(wèi)星把觀(guān)測(cè)目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了脈沖星GRO J008-57，采用直接測(cè)量的方法測(cè)得該脈沖星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為10 億特斯拉。這是非?？煽康臄?shù)據(jù)，也是當(dāng)時(shí)人類(lèi)已知的最強(qiáng)磁場(chǎng)。脈沖星就是能從兩極發(fā)射電磁波的中子星，它的磁場(chǎng)極強(qiáng)。磁場(chǎng)是看不到的，但它確實(shí)存在。當(dāng)把一根電流強(qiáng)度是1 安培的導(dǎo)線(xiàn)放到磁場(chǎng)周?chē)臅r(shí)候，磁場(chǎng)對(duì)它產(chǎn)生作用，如果這個(gè)作用力是1 牛頓，那么磁場(chǎng)的強(qiáng)度就被稱(chēng)為“1 特斯拉”。 10 億特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度，大小已經(jīng)超出了我們的理解。如果將導(dǎo)線(xiàn)放在這個(gè)磁場(chǎng)中，那么導(dǎo)線(xiàn)肯定被擰成了麻花，或者不復(fù)存在。

盡管?chē)?guó)外的X 射線(xiàn)觀(guān)測(cè)設(shè)備很多，來(lái)自太空射電輻射的信息也很多，但并沒(méi)有打破“慧眼”衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)紀(jì)錄，打破紀(jì)錄的還是它自己。2022 年7 月，“慧眼”又把目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了Swift J0243.6+6124 中子星。這不是普通的中子星，而是雙中子星。“慧眼”衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)表明，該中子星的能量非常高，高達(dá)146 千電子伏特的回旋吸收線(xiàn)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)超過(guò)16 億特斯拉，這是目前已經(jīng)知道的宇宙中最強(qiáng)的磁場(chǎng)。Swift J0243.6+6124 是雙中子星，兩顆中子星之間有著吸積盤(pán)，“慧眼”衛(wèi)星測(cè)量的可能是中子星附近吸積盤(pán)的磁場(chǎng)。

以前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)過(guò)一類(lèi)特殊的中子星，它們?cè)阢y河系之外，其中的X 射線(xiàn)具有超常亮度。雖然科學(xué)家一直懷疑那里存在超強(qiáng)的磁場(chǎng)，但并沒(méi)有直接的測(cè)量證據(jù)。這種猜測(cè)被“慧眼”衛(wèi)星證實(shí)了，找到了真正的“英雄”。

“慧眼”望八方

由于地球大氣層的干擾，X 射線(xiàn)不能在地面被接收，一般都要把望遠(yuǎn)鏡送上太空，難度較高，所以，X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡誕生的歷史僅有幾十年。1962 年，美國(guó)發(fā)射了一枚探空火箭，它攜帶的探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)宇宙射線(xiàn)源：天蝎座。此后，X 射線(xiàn)天文學(xué)誕生了。近十幾年來(lái)，大量高能物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步激發(fā)了人們研制X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的熱情。由于X射線(xiàn)具有極強(qiáng)的穿透性，能成像的X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡難以被設(shè)計(jì)制造出來(lái)。這其中最強(qiáng)大的是美國(guó)的錢(qián)德拉X 射線(xiàn)太空望遠(yuǎn)鏡，它拍攝的天體X 射線(xiàn)照片幾乎可以與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片相媲美。

我國(guó)的X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡起步僅有十幾年，雖然X 射線(xiàn)成像拍攝照片的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，但它還是有很多自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。首先，我國(guó)的X 射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的能區(qū)寬，能量從高到低都可以觀(guān)測(cè)到。其次，它的觀(guān)測(cè)面寬，能夠?qū)崿F(xiàn)快速巡天?！盎垩邸毙l(wèi)星在太空中可以隨意把視線(xiàn)轉(zhuǎn)向任意方向，四面八方都不受阻擋，迄今已經(jīng)取得了很多成績(jī)。

2017 年8 月17 日，這 是 人 類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)引力波的時(shí)間。當(dāng)時(shí)“慧眼”衛(wèi)星剛發(fā)射成功不久，還處在測(cè)試的實(shí)習(xí)期，但它幸運(yùn)地監(jiān)測(cè)到了全球首個(gè)雙中子星合并撞擊的引力波事件，并且對(duì)輻射性質(zhì)作出了合理的判斷。

“慧眼”在預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)，不僅觀(guān)察到了射電暴，而且給予了準(zhǔn)確的定位

快速射電暴是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種奇怪現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是指天空中會(huì)突然出現(xiàn)X 射線(xiàn)，停留僅僅1 秒鐘，就無(wú)聲無(wú)息地消失了。無(wú)人知道它從哪里來(lái)，也沒(méi)人知道它還會(huì)不會(huì)再次出現(xiàn)。近兩年，人們發(fā)現(xiàn)有重復(fù)出現(xiàn)的射電暴，并且可以預(yù)測(cè)下一次爆發(fā)的時(shí)間?！盎垩邸痹陬A(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)，不僅觀(guān)察到了射電暴，而且給予了準(zhǔn)確的定位。這個(gè)定位讓人們知道，快速射電暴FRB 200428 來(lái)源于磁星SGR J1935+2154?？焖偕潆姳┦谴判潜l(fā)產(chǎn)生的，這一發(fā)現(xiàn)成了2020年公認(rèn)的十大科學(xué)成就之一。

『慧眼』并不是X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，而是包括3組X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的X射線(xiàn)衛(wèi)星

“慧眼”衛(wèi)星還發(fā)現(xiàn)了距離黑洞最近的相對(duì)論噴流。在一對(duì)黑洞雙星中，有一些等離子正在高速逃離黑洞的引力場(chǎng)，這也被“慧眼”觀(guān)測(cè)到了。而且，“慧眼”還第一次在黑洞雙星中觀(guān)測(cè)到冕的演化。

除此之外，“慧眼”開(kāi)展了X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，定位精度達(dá)到10 千米之內(nèi)，為未來(lái)的星際航行提供了導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

借助“慧眼”的一項(xiàng)項(xiàng)觀(guān)測(cè)成果，我國(guó)相關(guān)的科研人員總共發(fā)表論文120 多篇，涉及引力波、伽馬暴、快速射電暴、黑洞和中子星等多個(gè)方面，“慧眼”衛(wèi)星在高能天體物理學(xué)方面作出了重要的貢獻(xiàn)。

雖然“慧眼”的設(shè)計(jì)壽命只有4年，2022 年6 月15 日，它已經(jīng)度過(guò)了5 周歲的生日，但是目前它的各項(xiàng)性能依舊良好，科學(xué)家們希望它能晚些退役，并再立新功。