张开“慧眼”看宇宙

“慧眼”硬X射线调制望远镜示意图。 　　中国科学院供图

　　认证磁星为宇宙神秘天文现象快速射电暴的一种起源；首次观测到黑洞双星爆发过程全景；完整探测到第24太阳活动周最大耀斑的高能辐射过程……今年以来，中国“慧眼”卫星的研究成果，频频在国际天文学界引起轰动。

　　好成绩的背后是“硬实力”。“慧眼”卫星全称“慧眼”硬X射线调制望远镜，是我国第一颗空间X射线天文卫星。与国外同类卫星相比，它具有覆盖能段宽、在高能X射线能段的有效面积大、时间分辨率高、有效工作时间占比高等优点。正因如此，在4年运行期间，“慧眼”卫星精准捕捉到宇宙中众多精彩瞬间和神秘现象，帮助人类更加深入了解宇宙奥秘。

　　通过望远镜卫星在空间轨道捕捉X射线，成为各国科学家竞相追逐的目标

　　X射线，对人们来说并不陌生。在医院拍摄透视片，或在公共场合接受安全检查时，我们通常都会直接接触到X射线。波长0.1至10纳米的X射线称为软X射线，其能量相对较低；波长在0.01至0.1纳米之间的X射线称为硬X射线，其能量相对较高，穿透性也较强。

　　宇宙中很多极端天体物理过程都会产生并发射强烈X射线。中科院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、“慧眼”卫星首席科学家张双南说：“比如，中子星和黑洞吸积物质的过程，超新星爆发和伽马射线暴的激波和喷流，还有高能带电粒子在磁场中的辐射以及和低能光子的作用、中子星的表面等，也会产生丰富的X射线。”

　　由于宇宙中许多天体都辐射X射线，因此探测宇宙中的X射线对探索宇宙奥秘具有重要意义。

　　“各种天体的性质和特点不同，它们所辐射的X射线也不同。人类可以利用这一特性，通过观测这些天体发出的X射线，来分析它们的类型和特征，从而更详细地了解宇宙。”张双南说。

　　然而，X射线极易被介质吸收，穿越地球大气层时会严重衰减，在地面上根本无法对其进行观测。因此，通过望远镜卫星在空间轨道捕捉X射线特别是硬X射线，就成为各国科学家竞相追逐的目标。

　　1999年，美国发射了钱德拉X射线天文台，欧洲发射了XMM—牛顿卫星，成为世界X射线天文学时代开启的标志性事件。那时，中国的硬X射线卫星研制尚属空白。但中国科学家们在此领域的探索和研究一直在进行。

　　对于硬X射线，国际上的普遍办法之一是采用准直型望远镜对其进行探测。但是，准直型望远镜的缺点在于它会损失很多探测光子的信息，从而导致探测结果对有些研究的精度较低。早在1993年，中国科学院院士、中科院高能物理研究所研究员李惕碚提出基于直接解调方法的硬X射线调制望远镜的设想。

　　张双南说：“当时，李院士原创性地提出了用非线性数学手段，直接对探测器阵列的扫描数据进行求解成像，这一直接解调法能够使非成像探测器实现成像。”

　　2011年3月，硬X射线调制望远镜卫星工程通过国家批复，正式立项。

　　“慧眼”卫星不仅“看”得勤，还“看”得清，可以全天时接收来自宇宙的“讯息”

　　2017年6月15日，我国首颗X射线天文卫星“慧眼”在酒泉卫星发射中心顺利发射升空。在卫星升空24小时后，地面工作人员就收到了它传送回来的首批数据，经验证，数据质量良好。

　　“慧眼”卫星能够如此迅速而高效展开科学观测工作，与它的独特设计密不可分。“慧眼”卫星的设计寿命是4年，质量2496千克。本体呈立方体构型，由服务舱、载荷舱、太阳翼等构成，主要工作模式包括巡天观测、定点观测和小天区扫描模式。

　　因为“慧眼”卫星具有复杂的热控保障、对地测控与数传保障以及载荷长期工作下的能源保障能力，可以全天时接收来自宇宙的“讯息”。

　　“慧眼”卫星不仅“看”得勤，还“看”得清。

　　“与国外已经发射的很多X射线天文卫星相比，‘慧眼’是世界上探测能区覆盖范围最广的天文望远镜之一，可以进行很宽谱段的X射线和伽马射线观测。”张双南说，“‘慧眼’在百万电子伏特能区监测伽马射线暴的有效观测面积，相比以往的设备可提高数倍。由于引力波暴也可能产生伽马射线暴，‘慧眼’在搜寻引力波电磁对应体方面，也具有重要意义和明显的国际竞争力。”

　　让“慧眼”卫星“眼界大开”的，是装载在它身体里的高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器等4个探测有效载荷。它们可观测1至250keV（千电子伏特）能量范围的X射线和监测200至3MeV（百万电子伏特）能量范围的伽马射线。这些“法宝”让“慧眼”卫星不仅能将宇宙事件从发生、发展到结束全过程的壮丽景象尽收眼底，还可看到这些景象出现时的时变过程是怎样的，相比国际上同类卫星，有更高的时间分辨率。

　　此外，工作模式多、平台高可靠等优点，让“慧眼”卫星在复杂的空间环境中能可靠地完成观测、数据星上存贮和及时下传等工作，保证任务顺利实施。

　　“慧眼”卫星运行已4年，状态良好，各项指标正常，取得一系列重大科学成果

　　令人惊奇的是，“慧眼”卫星在天上运行仅两个月，就利用新开发的科学能力有了重大发现。

　　2017年8月17日，美国激光干涉引力波天文台和室女座引力波天文台首次发现双中子星并合引力波事件，国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。当天，中国“慧眼”卫星对这次引力波事件发生也进行了成功监测。

　　中科院高能物理研究所副研究员熊少林说：“‘慧眼’卫星在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体在高能区的辐射性质给出了严格的限制。”

　　科学家介绍，“慧眼”卫星以合作组形式加入了报告该次历史性发现的论文，在论文的正文部分报告了观测结果，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制作出了重要贡献。

　　此后，“慧眼”卫星又陆续取得一系列重大科学成果，包括直接测量到宇宙最强磁场、高精度实现了脉冲星导航的在轨验证、发现距离黑洞最近的相对论喷流、发现逃离黑洞的高速等离子体、发现并证认首例和快速射电暴同时发生并且来自于磁星（磁场极强的中子星）的X射线暴……

　　最近，“慧眼”卫星又首次清晰观测到了黑洞双星爆发过程的全景，揭示了黑洞双星爆发标准图像的产生机制；完整探测到了第24太阳活动周最大耀斑的高能辐射过程，获得了耀斑过程中非热电子的谱指数演化，为理解太阳高能辐射随时间演化提供了新的观测结果等。

　　截至2021年8月，“慧眼”卫星已在轨运行约4年零2个月，科研人员在此期间已经投稿和发表了超过80篇学术论文。

　　张双南说：“目前，‘慧眼’卫星虽然已经超过了其设计寿命，但运行状态良好，各项指标正常，期待接下来它能够有更新的发现。”

　　张双南还透露，“慧眼”卫星的“继任者”——中国领导的大型国际合作空间项目“增强型X射线时变与偏振空间天文台”已进入方案设计阶段。研制成功后，它将成为2027年后国际领先的旗舰级空间X射线天文台，其综合性能相比国际同类卫星有一个数量级以上的提升，将把中国的空间高能天文研究带入更高水平，将在探索极端宇宙中有更多更重要的科学发现。