張開“慧眼”看宇宙

 

“慧眼”硬X射線調製望遠鏡示意圖。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能力提升，科技創新取得新的歷史性成就。基礎研究和原始創新取得重要進展，戰略高技術領域取得新跨越，高端産業取得新突破……一系列重大成果彰顯我國自主創新事業大有可為，科技自立自強成就非凡。

 

本版今起推出“為這些科技突破點讚”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，見證中國邁向高水準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象快速射電暴的一種起源；首次觀測到黑洞雙星爆發過程全景；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”衛星的研究成果，頻頻在國際天文學界引起轟動。

 

好成績的背後是“硬實力”。“慧眼”衛星全稱“慧眼”硬X射線調製望遠鏡，是我國第一顆空間X射線天文衛星。與國外同類衛星相比，它具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積大、時間解析度高、有效工作時間佔比高等優點。正因如此，在4年運行期間，“慧眼”衛星精準捕捉到宇宙中眾多精彩瞬間和神秘現象，幫助人類更加深入了解宇宙奧秘。

 

通過望遠鏡衛星在空間軌道捕捉X射線，成為各國科學家競相追逐的目標

 

X射線，對人們來説並不陌生。在醫院拍攝透視片，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産生併發射強烈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”衛星首席科學家張雙南説：“比如，中子星和黑洞吸積物質的過程，超新星爆發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，也會産生豐富的X射線。”

 

由於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出的X射線，來分析它們的類型和特徵，從而更詳細地了解宇宙。”張雙南説。

 

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，美國發射了錢德拉X射線天文臺，歐洲發射了XMM—牛頓衛星，成為世界X射線天文學時代開啟的標誌性事件。那時，中國的硬X射線衛星研製尚屬空白。但中國科學家們在此領域的探索和研究一直在進行。

 

對於硬X射線，國際上的普遍辦法之一是採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於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於直接解調方法的硬X射線調製望遠鏡的設想。

 

張雙南説：“當時，李院士原創性地提出了用非線性數學手段，直接對探測器陣列的掃描數據進行求解成像，這一直接解調法能夠使非成像探測器實現成像。”

 

2011年3月，硬X射線調製望遠鏡衛星工程通過國家批復，正式立項。

 

“慧眼”衛星不僅“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射線天文衛星“慧眼”在酒泉衛星發射中心順利發射升空。在衛星升空24小時後，地面工作人員就收到了它傳送回來的首批數據，經驗證，數據品質良好。

 

“慧眼”衛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”衛星的設計壽命是4年，品質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、定點觀測和小天區掃描模式。

 

因為“慧眼”衛星具有複雜的熱控保障、對地測控與數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”衛星不僅“看”得勤，還“看”得清。

 

“與國外已經發射的很多X射線天文衛星相比，‘慧眼’是世界上探測能區覆蓋範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。”張雙南説，“‘慧眼’在百萬電子伏特能區監測伽馬射線暴的有效觀測面積，相比以往的設備可提高數倍。由於引力波暴也可能産生伽馬射線暴，‘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”衛星“眼界大開”的，是裝載在它身體裏的高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器等4個探測有效載荷。它們可觀測1至250keV（千電子伏特）能量範圍的X射線和監測200至3MeV（百萬電子伏特）能量範圍的伽馬射線。這些“法寶”讓“慧眼”衛星不僅能將宇宙事件從發生、發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時的時變過程是怎樣的，相比國際上同類衛星，有更高的時間解析度。

 

此外，工作模式多、平臺高可靠等優點，讓“慧眼”衛星在複雜的空間環境中能可靠地完成觀測、數據星上存貯和及時下傳等工作，保證任務順利實施。

 

“慧眼”衛星運行已4年，狀態良好，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”衛星在天上運行僅兩個月，就利用新開發的科學能力有了重大發現。

 

2017年8月17日，美國鐳射干涉引力波天文臺和室女座引力波天文臺首次發現雙中子星併合引力波事件，國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現了該引力波事件的電磁對應體。當天，中國“慧眼”衛星對這次引力波事件發生也進行了成功監測。

 

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

 

科學家介紹，“慧眼”衛星以合作組形式加入了報告該次歷史性發現的論文，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製作出了重要貢獻。

 

此後，“慧眼”衛星又陸續取得一系列重大科學成果，包括直接測量到宇宙最強磁場、高精度實現了脈衝星導航的在軌驗證、發現距離黑洞最近的相對論噴流、發現逃離黑洞的高速等離子體、發現並證認首例和快速射電暴同時發生並且來自於磁星（磁場極強的中子星）的X射線暴……

 

最近，“慧眼”衛星又首次清晰觀測到了黑洞雙星爆發過程的全景，揭示了黑洞雙星爆發標準圖像的産生機制；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”衛星已在軌運行約4年零2個月，科研人員在此期間已經投稿和發表了超過80篇學術論文。

 

張雙南説：“目前，‘慧眼’衛星雖然已經超過了其設計壽命，但運行狀態良好，各項指標正常，期待接下來它能夠有更新的發現。”

 

張雙南還透露，“慧眼”衛星的“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。研製成功後，它將成為2027年後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星有一個數量級以上的提升，將把中國的空間高能天文研究帶入更高水準，將在探索極端宇宙中有更多更重要的科學發現。（記者 吳月輝）