張開“慧眼”看宇宙

 

“慧眼”硬X射線調制望遠鏡示意圖。中國科學院供圖

 

在以習近平同志為核心的黨中央堅強領導下，在全國科技界和社會各界共同努力下，我國科技實力正在從量的積累邁向質的飛躍、從點的突破邁向系統(tǒng)能力提升，科技創(chuàng)新取得新的歷史性成就?；A研究和原始創(chuàng)新取得重要進展，戰(zhàn)略高技術領域取得新跨越，高端產業(yè)取得新突破……一系列重大成果彰顯我國自主創(chuàng)新事業(yè)大有可為，科技自立自強成就非凡。

 

本版今起推出“為這些科技突破點贊”系列報道，和讀者一道近距離了解近年來我國科技重大成果，見證中國邁向高水平科技自立自強的生動實踐。

 

——編 者

 

認證磁星為宇宙神秘天文現(xiàn)象快速射電暴的一種起源；首次觀測到黑洞雙星爆發(fā)過程全景；完整探測到第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程……今年以來，中國“慧眼”衛(wèi)星的研究成果，頻頻在國際天文學界引起轟動。

 

好成績的背后是“硬實力”。“慧眼”衛(wèi)星全稱“慧眼”硬X射線調制望遠鏡，是我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星。與國外同類衛(wèi)星相比，它具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積大、時間分辨率高、有效工作時間占比高等優(yōu)點。正因如此，在4年運行期間，“慧眼”衛(wèi)星精準捕捉到宇宙中眾多精彩瞬間和神秘現(xiàn)象，幫助人類更加深入了解宇宙奧秘。

 

通過望遠鏡衛(wèi)星在空間軌道捕捉X射線，成為各國科學家競相追逐的目標

 

X射線，對人們來說并不陌生。在醫(yī)院拍攝透視片，或在公共場合接受安全檢查時，我們通常都會直接接觸到X射線。波長0.1至10納米的X射線稱為軟X射線，其能量相對較低；波長在0.01至0.1納米之間的X射線稱為硬X射線，其能量相對較高，穿透性也較強。

 

宇宙中很多極端天體物理過程都會產生并發(fā)射強烈X射線。中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、“慧眼”衛(wèi)星首席科學家張雙南說：“比如，中子星和黑洞吸積物質的過程，超新星爆發(fā)和伽馬射線暴的激波和噴流，還有高能帶電粒子在磁場中的輻射以及和低能光子的作用、中子星的表面等，也會產生豐富的X射線。”

 

由于宇宙中許多天體都輻射X射線，因此探測宇宙中的X射線對探索宇宙奧秘具有重要意義。

 

“各種天體的性質和特點不同，它們所輻射的X射線也不同。人類可以利用這一特性，通過觀測這些天體發(fā)出的X射線，來分析它們的類型和特征，從而更詳細地了解宇宙。”張雙南說。

 

然而，X射線極易被介質吸收，穿越地球大氣層時會嚴重衰減，在地面上根本無法對其進行觀測。因此，通過望遠鏡衛(wèi)星在空間軌道捕捉X射線特別是硬X射線，就成為各國科學家競相追逐的目標。

 

1999年，美國發(fā)射了錢德拉X射線天文臺，歐洲發(fā)射了XMM—牛頓衛(wèi)星，成為世界X射線天文學時代開啟的標志性事件。那時，中國的硬X射線衛(wèi)星研制尚屬空白。但中國科學家們在此領域的探索和研究一直在進行。

 

對于硬X射線，國際上的普遍辦法之一是采用準直型望遠鏡對其進行探測。但是，準直型望遠鏡的缺點在于它會損失很多探測光子的信息，從而導致探測結果對有些研究的精度較低。早在1993年，中國科學院院士、中科院高能物理研究所研究員李惕碚提出基于直接解調方法的硬X射線調制望遠鏡的設想。

 

張雙南說：“當時，李院士原創(chuàng)性地提出了用非線性數(shù)學手段，直接對探測器陣列的掃描數(shù)據(jù)進行求解成像，這一直接解調法能夠使非成像探測器實現(xiàn)成像。”

 

2011年3月，硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星工程通過國家批復，正式立項。

 

“慧眼”衛(wèi)星不僅“看”得勤，還“看”得清，可以全天時接收來自宇宙的“訊息”

 

2017年6月15日，我國首顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利發(fā)射升空。在衛(wèi)星升空24小時后，地面工作人員就收到了它傳送回來的首批數(shù)據(jù)，經(jīng)驗證，數(shù)據(jù)質量良好。

 

“慧眼”衛(wèi)星能夠如此迅速而高效展開科學觀測工作，與它的獨特設計密不可分。“慧眼”衛(wèi)星的設計壽命是4年，質量2496千克。本體呈立方體構型，由服務艙、載荷艙、太陽翼等構成，主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區(qū)掃描模式。

 

因為“慧眼”衛(wèi)星具有復雜的熱控保障、對地測控與數(shù)傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力，可以全天時接收來自宇宙的“訊息”。

 

“慧眼”衛(wèi)星不僅“看”得勤，還“看”得清。

 

“與國外已經(jīng)發(fā)射的很多X射線天文衛(wèi)星相比，‘慧眼’是世界上探測能區(qū)覆蓋范圍最廣的天文望遠鏡之一，可以進行很寬譜段的X射線和伽馬射線觀測。”張雙南說，“‘慧眼’在百萬電子伏特能區(qū)監(jiān)測伽馬射線暴的有效觀測面積，相比以往的設備可提高數(shù)倍。由于引力波暴也可能產生伽馬射線暴，‘慧眼’在搜尋引力波電磁對應體方面，也具有重要意義和明顯的國際競爭力。”

 

讓“慧眼”衛(wèi)星“眼界大開”的，是裝載在它身體里的高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器等4個探測有效載荷。它們可觀測1至250keV（千電子伏特）能量范圍的X射線和監(jiān)測200至3MeV（百萬電子伏特）能量范圍的伽馬射線。這些“法寶”讓“慧眼”衛(wèi)星不僅能將宇宙事件從發(fā)生、發(fā)展到結束全過程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些景象出現(xiàn)時的時變過程是怎樣的，相比國際上同類衛(wèi)星，有更高的時間分辨率。

 

此外，工作模式多、平臺高可靠等優(yōu)點，讓“慧眼”衛(wèi)星在復雜的空間環(huán)境中能可靠地完成觀測、數(shù)據(jù)星上存貯和及時下傳等工作，保證任務順利實施。

 

“慧眼”衛(wèi)星運行已4年，狀態(tài)良好，各項指標正常，取得一系列重大科學成果

 

令人驚奇的是，“慧眼”衛(wèi)星在天上運行僅兩個月，就利用新開發(fā)的科學能力有了重大發(fā)現(xiàn)。

 

2017年8月17日，美國激光干涉引力波天文臺和室女座引力波天文臺首次發(fā)現(xiàn)雙中子星并合引力波事件，國際引力波電磁對應體觀測聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對應體。當天，中國“慧眼”衛(wèi)星對這次引力波事件發(fā)生也進行了成功監(jiān)測。

 

中科院高能物理研究所副研究員熊少林說：“‘慧眼’衛(wèi)星在引力波事件發(fā)生時成功監(jiān)測了引力波源所在的天區(qū)，對其伽馬射線電磁對應體在高能區(qū)的輻射性質給出了嚴格的限制。”

 

科學家介紹，“慧眼”衛(wèi)星以合作組形式加入了報告該次歷史性發(fā)現(xiàn)的論文，在論文的正文部分報告了觀測結果，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制作出了重要貢獻。

 

此后，“慧眼”衛(wèi)星又陸續(xù)取得一系列重大科學成果，包括直接測量到宇宙最強磁場、高精度實現(xiàn)了脈沖星導航的在軌驗證、發(fā)現(xiàn)距離黑洞最近的相對論噴流、發(fā)現(xiàn)逃離黑洞的高速等離子體、發(fā)現(xiàn)并證認首例和快速射電暴同時發(fā)生并且來自于磁星（磁場極強的中子星）的X射線暴……

 

最近，“慧眼”衛(wèi)星又首次清晰觀測到了黑洞雙星爆發(fā)過程的全景，揭示了黑洞雙星爆發(fā)標準圖像的產生機制；完整探測到了第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程，獲得了耀斑過程中非熱電子的譜指數(shù)演化，為理解太陽高能輻射隨時間演化提供了新的觀測結果等。

 

截至2021年8月，“慧眼”衛(wèi)星已在軌運行約4年零2個月，科研人員在此期間已經(jīng)投稿和發(fā)表了超過80篇學術論文。

 

張雙南說：“目前，‘慧眼’衛(wèi)星雖然已經(jīng)超過了其設計壽命，但運行狀態(tài)良好，各項指標正常，期待接下來它能夠有更新的發(fā)現(xiàn)。”

 

張雙南還透露，“慧眼”衛(wèi)星的“繼任者”——中國領導的大型國際合作空間項目“增強型X射線時變與偏振空間天文臺”已進入方案設計階段。研制成功后，它將成為2027年后國際領先的旗艦級空間X射線天文臺，其綜合性能相比國際同類衛(wèi)星有一個數(shù)量級以上的提升，將把中國的空間高能天文研究帶入更高水平，將在探索極端宇宙中有更多更重要的科學發(fā)現(xiàn)。（記者 吳月輝）