□ 諸葛文 喻菲 全曉書(shū) 屈婷

透視宇宙奧秘的“慧眼”

□ 諸葛文 喻菲 全曉書(shū) 屈婷

▲ 航天科技集團(tuán)五院供圖

6月15日11點(diǎn)00分，我國(guó)成功把“慧眼”硬X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星送入太空。它將揭示宇宙中驚心動(dòng)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(zhǎng)四乙火箭進(jìn)入太空近圓軌道的X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星，將巡視銀河系中的X射線(xiàn)源，詳細(xì)研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測(cè)伽馬射線(xiàn)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(guó)內(nèi)外3顆小衛(wèi)星。

“看不見(jiàn)”的宇宙

宇宙中的各種天體每時(shí)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(guò)探測(cè)各種天體所輻射的不同波譜、不同強(qiáng)度的電磁波，對(duì)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(tái)空間望遠(yuǎn)鏡很難進(jìn)行全部波段的觀測(cè)，必須研制各個(gè)波段的空間望遠(yuǎn)鏡。一般來(lái)說(shuō)，天體溫度越高，發(fā)出的電磁波波長(zhǎng)越短。人類(lèi)可以利用這一特性，通過(guò)觀測(cè)天體發(fā)出的電磁波，來(lái)分析它們的類(lèi)型和特征。在電磁波譜中，伽馬射線(xiàn)的波長(zhǎng)最短，輻射能量最大，X射線(xiàn)次之，后面依次是紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和射電波。

X射線(xiàn)和可見(jiàn)光一樣，本質(zhì)上都是電磁波，都具有波粒二象性，只是波長(zhǎng)與能量不同，所以在傳播的過(guò)程當(dāng)中顯現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)也有所不同。X射線(xiàn)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)極短，能量又很高，在傳播的時(shí)候更接近粒子。當(dāng)我們把一臺(tái)普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)X射線(xiàn)天體的時(shí)候，X射線(xiàn)不會(huì)像可見(jiàn)光那樣在鏡面上發(fā)生反射或折射，而會(huì)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(wú)法獲得天體的X射線(xiàn)圖像。同時(shí)，能量越高，“炮彈”的速度就越快，X射線(xiàn)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(xiàn)，就被稱(chēng)為硬X射線(xiàn)；能量在10千電子伏特以下的，就被稱(chēng)為軟X射線(xiàn)。

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(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，有的被厚厚的塵埃所遮擋。普通的可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡都看不到它們的影子，需要在X射線(xiàn)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(shí)安裝了高、中、低能三組X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上是一座小型空間天文臺(tái)。

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(lái)觀測(cè)和研究X射線(xiàn)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(gè)X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器共4個(gè)探測(cè)有效載荷。其中高能X射線(xiàn)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(cè)器面積最大的望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)面積超過(guò)了5000平方厘米，面積越大，探測(cè)到的信號(hào)就會(huì)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(shí)用于對(duì)特定X射線(xiàn)源進(jìn)行高精度定點(diǎn)觀測(cè)，又可以進(jìn)行掃描成像觀測(cè)?！盎垩邸钡囊晥?chǎng)也很大，約兩天即可完成對(duì)銀道面的掃描，有利于監(jiān)測(cè)暫現(xiàn)源。

上，因此它還具有觀測(cè)亮源的優(yōu)勢(shì)。

▲ 長(zhǎng)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(chǎng)內(nèi)的天體發(fā)出的X射線(xiàn)才能入射到探測(cè)器上，而且與視線(xiàn)方向的夾角越大，有效探測(cè)面積越小。在掃描觀測(cè)模式下，由于天空中存在著亮度不同的X射線(xiàn)源，望遠(yuǎn)鏡在掃過(guò)不同區(qū)域時(shí)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率也在變化，通過(guò)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(xiàn)源的位置和流強(qiáng)。掃描觀測(cè)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(cè)則是指向某一天體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，可以研究天體的X射線(xiàn)光變和能譜性質(zhì)。我國(guó)科學(xué)家又開(kāi)發(fā)了一種新的觀測(cè)模式，即通過(guò)調(diào)整高能X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星主探測(cè)器光電倍增管的高壓，可以使其中的CsI晶體成為一個(gè)大面積的大視場(chǎng)監(jiān)視器，探測(cè)天空的硬X射線(xiàn)和軟伽馬射線(xiàn)暴發(fā)現(xiàn)象。

空間環(huán)境檢測(cè)器裝在衛(wèi)星載荷艙的外面，是為了監(jiān)測(cè)衛(wèi)星所處的帶電粒子環(huán)境，對(duì)“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(duì)探測(cè)器工作高壓做適當(dāng)調(diào)整，高能望遠(yuǎn)鏡主探測(cè)器中原本用于屏蔽本底X射線(xiàn)光子的碘化銫晶體就可用來(lái)觀測(cè)伽馬射線(xiàn)暴了。這一創(chuàng)新設(shè)想將“慧眼”的觀測(cè)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(xiàn)巡天，發(fā)現(xiàn)新的天體或已知天體的新活動(dòng)；二是對(duì)X射線(xiàn)雙星系統(tǒng)進(jìn)行高精度的定點(diǎn)觀測(cè)，研究其快速光變；三是觀測(cè)孤立脈沖星、強(qiáng)磁場(chǎng)中子星和中子星X射線(xiàn)雙星中的X射線(xiàn)暴，研究致密物質(zhì)的狀態(tài)方程；四是監(jiān)測(cè)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(xiàn)暴，尋找引力波暴的電磁對(duì)應(yīng)體。

其主要工作模式包括巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)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(cè)；在伽馬射線(xiàn)暴工作模式下，可以監(jiān)測(cè)超過(guò)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(xiàn)能區(qū)的暴發(fā)現(xiàn)象。

與目前在軌運(yùn)行的7個(gè)國(guó)外X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星相比，“慧眼”有以下優(yōu)勢(shì)：具有大天區(qū)、大有效面積的寬波段X射線(xiàn)掃描巡天能力；具有大面積、寬波段、高時(shí)間分辨率的定點(diǎn)觀測(cè)能力；是國(guó)際上最大面積的硬X射線(xiàn)/軟伽馬射線(xiàn)能段探測(cè)器。它既可以通過(guò)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(xiàn)巡天，還將通過(guò)對(duì)黑洞和其他高能天體寬波段X射線(xiàn)時(shí)變和能譜的觀測(cè)，研究致密天體極端物理?xiàng)l件下的動(dòng)力學(xué)和輻射過(guò)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(dòng)癥狀及非運(yùn)動(dòng)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(duì)優(yōu)勢(shì)的是膽堿能系統(tǒng)活動(dòng),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(cè)器能譜范圍非常寬，所以它除了可探測(cè)空間X射線(xiàn)外，還可拓展進(jìn)行伽馬射線(xiàn)暴、恒星爆炸、黑洞等探測(cè)；不僅能將宇宙事件從發(fā)生、發(fā)展到結(jié)束全過(guò)程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些壯麗景象出現(xiàn)時(shí)的時(shí)變過(guò)程是怎樣的，且比國(guó)際上其他同類(lèi)衛(wèi)星時(shí)間分辨率有大幅提升，這對(duì)于推動(dòng)突發(fā)天體現(xiàn)象研究的深入意義重大。

其國(guó)際先進(jìn)的暗弱變?cè)囱蔡炷芰?，可進(jìn)行引力波暴電磁對(duì)應(yīng)體的尋找和后隨觀測(cè)；其高能X射線(xiàn)空間天文衛(wèi)星可以探測(cè)到高至幾個(gè)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(duì)伽馬射線(xiàn)暴全天監(jiān)測(cè)，且接收面積10倍于目前國(guó)際上最好的設(shè)備，從而大幅提高了在該能區(qū)探測(cè)伽馬射線(xiàn)暴、搜索引力波暴的電磁波對(duì)應(yīng)體的靈敏度，對(duì)伽馬射線(xiàn)暴和引力波暴電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)具有重要意義，在國(guó)際上具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)力，且預(yù)期能夠產(chǎn)生重要科學(xué)成果。它將在國(guó)際上首次系統(tǒng)性地獲得銀河系內(nèi)高能天體活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖景，發(fā)現(xiàn)大量新的天體和天體活動(dòng)新現(xiàn)象。由于具有獨(dú)特的研究X射線(xiàn)雙星多波段X射線(xiàn)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(xiàn)、紅外線(xiàn)，以及可見(jiàn)光混合在一起的開(kāi)普勒超新星殘骸照片

▲ 衛(wèi)星研制現(xiàn)場(chǎng) 攝/南勇

“盡管其他國(guó)家已發(fā)射的同類(lèi)衛(wèi)星開(kāi)展過(guò)巡天觀測(cè)，但絕大多數(shù)X射線(xiàn)源都是變?cè)矗瑫?huì)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(kāi)展巡天掃描，及時(shí)探測(cè)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(shuō)。

“黑洞能產(chǎn)生X射線(xiàn)等各種輻射，還有可能產(chǎn)生高能宇宙線(xiàn)以及強(qiáng)烈的噴流。它們究竟在干什么？現(xiàn)在人類(lèi)只有二三十個(gè)黑洞的樣本，能發(fā)現(xiàn)更多當(dāng)然好，對(duì)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(kāi)始?！睆堧p南說(shuō)。

據(jù)他描述，黑洞有時(shí)很“冷靜”，有時(shí)很“暴躁”。當(dāng)它“發(fā)脾氣”時(shí)，產(chǎn)生的X射線(xiàn)流強(qiáng)特別高。國(guó)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”。“我們還不清楚中子星的內(nèi)部是什么。它們具有超強(qiáng)的引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)和核密度，可謂極端物理的天然實(shí)驗(yàn)室。通過(guò)研究中子星的X射線(xiàn)，我們可以測(cè)量其表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度，研究高密度、強(qiáng)磁場(chǎng)下物質(zhì)的性質(zhì)?！睆堧p南說(shuō)。

▲ 衛(wèi)星研制現(xiàn)場(chǎng) 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(tái)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(jiàn)太陽(yáng)、地球和衛(wèi)星本體，以免輻射增溫，同時(shí)，安裝在同一支架上的高、中、低能X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡對(duì)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(dòng)控溫和被動(dòng)控溫相結(jié)合方法，多種溫控手段并用，這就需要通過(guò)安裝遮陽(yáng)板、采取多極隔熱、采用深冷熱管技術(shù)以及優(yōu)化觀測(cè)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(yáng)同步軌道對(duì)地遙感衛(wèi)星，要實(shí)現(xiàn)全天區(qū)掃描的要求，這對(duì)“慧眼”姿態(tài)穩(wěn)定提出了極大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)全天球的空間天體高靈敏度的觀測(cè)需求，并滿(mǎn)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(duì)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(dòng)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(cè)模式的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，探測(cè)器對(duì)時(shí)間要求很高，要求記錄某一個(gè)到達(dá)X光點(diǎn)的準(zhǔn)確時(shí)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(lèi)已探測(cè)到幾次引力波，但科學(xué)家急切想找到與引力波相對(duì)應(yīng)的電磁波信號(hào)，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(shí)或者相近時(shí)間，在其相同位置發(fā)現(xiàn)電磁信號(hào)，聯(lián)合分析引力波信號(hào)和電磁信號(hào)會(huì)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(xiàn)暴很可能是引力波事件的電磁對(duì)應(yīng)體。

張雙南說(shuō)：“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的引力波還沒(méi)有一個(gè)找到電磁對(duì)應(yīng)體。如果只在一個(gè)波段觀測(cè)，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(shí)也有X射線(xiàn)、伽馬射線(xiàn)或其他波段的信號(hào)，這些熟識(shí)的電磁波信號(hào)能幫助我們更好地認(rèn)識(shí)引力波?！彼J(rèn)為，尋找引力波電磁對(duì)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(cè)器，是目前國(guó)際上最好設(shè)備的10倍，預(yù)計(jì)一年可觀測(cè)到近200個(gè)伽馬暴，在今后引力波電磁對(duì)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(duì)應(yīng)體，這將成為‘慧眼’最精彩的科學(xué)成果?！睆堧p南說(shuō)。

這18個(gè)“黑盤(pán)子”就是“慧眼”的硬X射線(xiàn)探測(cè)器，覆蓋了20千電子伏特～250千電子伏特的觀測(cè)能區(qū)范圍，將主要用于探測(cè)黑洞和中子星

“慧眼”入軌之后的第五天會(huì)對(duì)其上的科學(xué)儀器加電，開(kāi)始為期5天的整體功能測(cè)試，然后進(jìn)行為期140天的儀器性能測(cè)試、在軌標(biāo)定觀測(cè)和試觀測(cè)，計(jì)劃于2017年11月進(jìn)入常規(guī)科學(xué)觀測(cè)。

總之，X射線(xiàn)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>