硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖
茫茫天宇間，在軌運(yùn)行的航天器“中國方陣”中，除了天舟一號貨運(yùn)飛船、天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室等之外，還有一顆近日發(fā)射升空的新衛(wèi)星——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（HXMT）。與其他航天器相比，這顆重約2.5噸，在距地面550公里的軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星看起來其貌不揚(yáng)，卻引起了國際媒體的高度關(guān)注。英國《金融時(shí)報(bào)》稱，這顆衛(wèi)星的發(fā)射是中國在發(fā)展可與美俄匹敵的太空計(jì)劃的征程中邁出的重要一步。
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的使命是什么？它裝備了哪些高精尖的科學(xué)載荷？與同類衛(wèi)星相比它有哪些突出的特點(diǎn)？它將為人類認(rèn)識太空作出怎樣的貢獻(xiàn)？人們亟待了解這些問題的答案。
繪高精度硬X射線天圖
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星雖然被冠以中國“慧眼”的雅稱，但是對很多人來說，它似乎不怎么接地氣，讓人們在感到“高大上”的同時(shí)，也有幾分拒人千里之外的“冰冷感”。這也難怪，現(xiàn)代天文學(xué)科技本身就距離人們的生活頗為遙遠(yuǎn)，再加上該詞又是由英語直譯而來，想讓人親近真的不容易。而要去除“冰冷感”，就要先熟悉兩個概念：“硬X射線”和“調(diào)制”。
“硬X射線”是X射線的一種。對X射線，我們是熟悉的，在醫(yī)院拍攝透視片，在各類安檢中，都接觸過它。根據(jù)波長，它被分為兩類：波長較短（能量較高）的稱為硬X射線，波長較長的稱為軟X射線?？梢姡@里的“軟”“硬”僅是用于分類表述而已。一些天體或天體現(xiàn)象如脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等都會射出X射線，其中主要是硬X射線，而這類射線與軟X射線相比，能穿越宇宙塵埃等，不被遮擋。另一方面，X射線穿越地球大氣層時(shí)會嚴(yán)重衰減。所以，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星在空間軌道捕捉X射線，特別是硬X射線，就成為各國科學(xué)家競相追逐的目標(biāo)。
“調(diào)制”是指中國科學(xué)家創(chuàng)新的把“調(diào)制后的信號還原成圖像”的技術(shù)。望遠(yuǎn)鏡在太空通過硬X射線進(jìn)行天體觀測，必須完成“成像”，而這是核心技術(shù)難點(diǎn)。上世紀(jì)90年代初，中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吳枚研究員經(jīng)過艱苦努力，探索出“直接解調(diào)”方法，實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的成像，比國際上采用的編碼孔徑成像技術(shù)更成熟、更便宜。之后，李惕碚院士把成像技術(shù)與掃描探測技術(shù)結(jié)合在一起，很快便提出了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的概念——通過對硬X射線源的成像觀測，繪制高精度的硬X射線天圖。
數(shù)代科學(xué)家經(jīng)24年磨礪
對很多不了解背景的人來說，“慧眼”仿佛一夜之間橫空出世，并且一步把中國帶入到X射線天文學(xué)時(shí)代。而對于李惕碚而言，這是一個漫長而焦灼的過程。1993年，他提出了基于直接解調(diào)方法的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想，之后，他積極奔走，通過各種方式，爭取支持。雖然一次次遇到挫折，但是李惕碚和他的團(tuán)隊(duì)并不灰心，根據(jù)該領(lǐng)域國際上的最新進(jìn)展，不斷完善相關(guān)方案。2011年，硬X射線太空望遠(yuǎn)鏡終于正式立項(xiàng)，與暗物質(zhì)衛(wèi)星等一起被列入“十二五”空間戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)。
李惕碚和吳枚兩位老一代科學(xué)家雖然已經(jīng)成功解決了“成像”難題，奠定了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，但是在望遠(yuǎn)鏡研制和項(xiàng)目實(shí)施過程中仍然面臨一系列技術(shù)障礙?！盎垩邸毙l(wèi)星工程總師、航天科技集團(tuán)五院研究員馬世俊介紹說，比如衛(wèi)星熱控設(shè)計(jì)方面，為保證有效載荷探測精度，必須將高能、中能、低能探測器集中安裝在同一支撐結(jié)構(gòu)上，但它們彼此間溫度要求相差極大。有些靈敏的儀器設(shè)備必須在零下60℃到零下80℃的低溫下才能正常工作。研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員相互啟發(fā)、集中攻關(guān)，終于琢磨出多級隔熱措施、深冷熱管技術(shù)、梯度溫度加熱等妙招，成功解決這一難題。
國際技術(shù)封鎖是該項(xiàng)目必須面對的另一個困難。在核心載荷高能望遠(yuǎn)鏡研制過程中，需要進(jìn)口某一個型號探測器，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與外方簽訂了進(jìn)口合同，但之后被外方所在國有關(guān)部門叫停。面對困局，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)橫下一條心，在壓力下奮起，走自主研發(fā)道路。既然是摸索，總免不了走些彎路，但是他們不氣餒。持之以恒地努力終于獲得了應(yīng)有的回報(bào)，經(jīng)過29輪試制，完成30多個樣品，終于“殺”出一條路來。
攜帶眾“法寶”巡天不眠不休
從“慧眼”的實(shí)際載荷和探測能力來看，它被稱作“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”多少有些名不副實(shí)了，因?yàn)樗ㄟ^攜帶的幾件“法寶”，不僅可以對高能的硬X射線和中能、低能的軟X射線進(jìn)行觀測與成像，而且還可以監(jiān)測空間環(huán)境。特別值得一提的是，“慧眼”項(xiàng)目首席科學(xué)家張雙南創(chuàng)造性地對原本用于屏蔽干擾粒子的探測器稍加改造，使其成為目前世界上面積最大、靈敏度最高的伽馬暴探測器，大大拓展了其探測范圍和能力。
據(jù)“慧眼”項(xiàng)目總指揮潘騰介紹，衛(wèi)星進(jìn)入太空后，望遠(yuǎn)鏡就會進(jìn)入一刻不停、持續(xù)不間斷的巡天模式，也就是說，在預(yù)期4年的壽命中，它每天都要24小時(shí)分秒必爭地工作，緊“盯”著宇宙空間。
具體來說，“慧眼”將開展4個方面的空間探測活動：一是對銀道面（天球上沿銀河畫出的一大圓為銀道，銀道所在的主平面即為銀道面）進(jìn)行巡天觀測，發(fā)現(xiàn)新的高能變源和已知高能天體的新活動；二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質(zhì)，加深對致密天體和黑洞強(qiáng)引力場中動力學(xué)和高能輻射過程的認(rèn)識；三是在硬X射線/軟伽馬射線能區(qū)獲得伽馬射線暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象的能譜和時(shí)變觀測數(shù)據(jù)，研究宇宙深處大質(zhì)量恒星死亡以及中子星并合等導(dǎo)致的黑洞的形成過程；四是探索利用X射線脈沖星進(jìn)行航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理，并開展在軌實(shí)驗(yàn)?！盎垩邸辈煌阽R面望遠(yuǎn)鏡受制于其面積和視場，在巡天過程中，其探測面積更大、探測到的信號更多、效率更高。
6月16日，也就是在發(fā)射約24小時(shí)，“慧眼”就成功把第一批超過2GB的數(shù)據(jù)傳送回來。經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。
與歐美發(fā)達(dá)國家相比，中國在空間科學(xué)方面無疑還處于起步階段，但仍然有迎頭追趕的機(jī)會，“慧眼”就有望在X射線天文學(xué)領(lǐng)域?yàn)橹袊鴵屨家幌?。正如一位美國同行盛贊的那樣，中國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，將是今后這段時(shí)期研究黑洞動力學(xué)過程獨(dú)一無二的“利器”，是X射線天文學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑。
鏈接一
X射線天文學(xué)
X射線天文學(xué)是以天體的X射線輻射為主要研究手段的天文學(xué)分支。天體的X射線受到地球大氣的嚴(yán)重阻礙，主要利用衛(wèi)星進(jìn)行探測。早期的X射線探測工作集中于對太陽的研究。自從1962年6月18日美國麻省理工學(xué)院研究小組第一次發(fā)現(xiàn)來自天蝎座方向的強(qiáng)大 X射線源以后，非太陽 X射線天文學(xué)進(jìn)入一個新的發(fā)展階段。上世紀(jì)70年代以來，發(fā)射了專門研究 X射線的天文衛(wèi)星，觀測到許多先前不知道的宇宙 X射線源，使X射線源的數(shù)目猛增。
鏈接二
X射線望遠(yuǎn)鏡
X射線望遠(yuǎn)鏡是為了探測地球大氣層以外的源所發(fā)射的X射線，并把X射線分辨為一個圖象而設(shè)計(jì)的一種儀器。由于大氣吸收，所以X射線望遠(yuǎn)鏡必須用氣球、火箭或空間運(yùn)載工具帶到高空。因?yàn)樘祗wX射線源都是遠(yuǎn)而弱的，這些探測器通常都要有大的集光面積和高的效率，以便在宇宙射線引起的背景上探測到X射線。
人類第一個X射線天文衛(wèi)星叫“烏呼魯”，是在美國科學(xué)家賈科尼領(lǐng)導(dǎo)下于1970年在肯尼亞發(fā)射升空的，在約3年運(yùn)行時(shí)間里，確定了350個X射線源，包括X射線雙星、超新星遺跡、星系團(tuán)、塞弗特星系等。賈科尼因在X射線天文學(xué)方面的先驅(qū)性貢獻(xiàn)而獲得2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。在“烏呼魯”之后，一系列搭載X射線的望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星發(fā)射升空，其中包括歐洲的XMM-牛頓衛(wèi)星、美國的羅西X射線時(shí)變探測器、錢德拉X射線天文臺、日本的朱雀衛(wèi)星等。
【編輯:陳海峰】
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