▲ 由一顆普通恒星和一個(gè)黑洞或中子星組成的雙星系統(tǒng)吸積過程示意圖。
? HXMT衛(wèi)星有效載荷示意圖。
HXMT衛(wèi)星示意圖。
6月15日11時(shí)00分，中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（下稱“HXMT衛(wèi)星”）搭乘長征四號乙型運(yùn)載火箭奔向太空。這顆名為“慧眼”的天文衛(wèi)星，將承載著我國科學(xué)家們的觀天之夢，駐足浩瀚宇宙，穿過層層遮擋，看遍星辰大海……
慧眼望向何方
作為我國首顆空間X射線天文衛(wèi)星，HXMT衛(wèi)星其實(shí)具有三雙“慧眼”——其主要有效載荷包括高能X射線望遠(yuǎn)鏡、中能X射線望遠(yuǎn)鏡、低能X射線望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器，能夠?qū)崿F(xiàn)1—250keV（1000電子伏特）能段全覆蓋探測，并具有大天區(qū)和大有效面積巡天能力和高精度定點(diǎn)觀測能力。
“‘慧眼’衛(wèi)星的成功發(fā)射，填補(bǔ)了我國空間X射線天文衛(wèi)星領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)了我國天文觀測由地面觀測到天地聯(lián)合觀測的跨越，是我國天文學(xué)發(fā)展史上一件具有里程碑意義的大事。”國防科工局系統(tǒng)工程司副司長趙堅(jiān)表示。
“通過對黑洞和中子星進(jìn)行長期高頻次監(jiān)測，理解黑洞和中子星系統(tǒng)的活動和演化機(jī)制是該衛(wèi)星主要的科學(xué)目標(biāo)之一。”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)載荷分系統(tǒng)專家宋黎明介紹說，黑洞是一種光都不能從其視界中逃脫出來的致密天體，因此無法對其進(jìn)行直接觀測。然而，由于黑洞引力非常強(qiáng)，會將氣體等一些物質(zhì)聚攏到其周圍形成一個(gè)具有X射線輻射的吸積盤，在靠近中子星表面的區(qū)域，也同樣存在以X射線輻射為主的高溫、高壓、強(qiáng)磁場等條件。通過觀測X射線輻射的特征，便可了解這些極端天體的性質(zhì)以及其中的物理過程。
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星還將對銀道面、銀心和核球進(jìn)行高靈敏度的寬波段X射線巡天監(jiān)測，有望在國際上首次系統(tǒng)性地獲得銀河系內(nèi)高能天體活動的動態(tài)圖景，并發(fā)現(xiàn)大量新的天體。
“宇宙中的天體每時(shí)每刻都在運(yùn)動，忽高忽低，而銀道面上這類天體更加集中，對該區(qū)域進(jìn)行掃描觀測，發(fā)現(xiàn)新的爆發(fā)源幾率較大，科學(xué)意義十分深遠(yuǎn)。”宋黎明說，HXMT衛(wèi)星每次的小天區(qū)掃描觀測區(qū)域?yàn)?0°×20°，按照一定的間隔和速度對這個(gè)天區(qū)進(jìn)行掃描觀測，再通過對觀測數(shù)據(jù)的成像計(jì)算得到天體源的位置和強(qiáng)度。
此外，HXMT在伽馬射線暴工作模式下，將利用其擴(kuò)展到200keV—3MeV（兆電子伏特）能段的探測能力，獲得新的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)，有助于科學(xué)家更深入地理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性、研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡以及中子星并合等過程中黑洞的形成。
“HXMT對硬X射線和軟伽馬射線能段監(jiān)測的接收面積，十倍于目前國際上最好的設(shè)備，是天空中這一能段最靈敏的伽馬射線暴探測器和引力波電磁對應(yīng)體監(jiān)測器。”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)總師馬世俊自豪地說。
慧眼“慧”在哪里
HXMT衛(wèi)星上天之后，銀河系的星星都“逃不過”他的一雙“慧眼”，這得益于其練就的一身獨(dú)門絕技。
HXMT衛(wèi)星通過探測硬X射線輻射從而了解被監(jiān)測星源的相關(guān)信息。然而硬X射線成像非常困難，目前國際上主要使用的成像技術(shù)包括編碼孔徑成像和多層膜掠射望遠(yuǎn)鏡聚焦成像技術(shù)，但它們對探測器的精度要求十分高，設(shè)計(jì)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。
我國學(xué)者獨(dú)創(chuàng)的直接解調(diào)成像方法，是在一定的物理約束條件下直接求解原始的測量方程，可以同時(shí)獲得高的靈敏度和空間分辨率。“這就使我們在采用精度較低探測器的情況下，也能通過觀測模式的精心設(shè)計(jì)以及后續(xù)數(shù)據(jù)的有效處理，得到星源的位置、能量分布以及相關(guān)變化情況等精確信息。”宋黎明說。
直接解調(diào)成像的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)先決條件，即精確校準(zhǔn)觀測X射線儀器的過程——標(biāo)定。
HXMT衛(wèi)星是對天體的X射線進(jìn)行測量，需要了解天體X射線的能量、流強(qiáng)、方向等信息。為了準(zhǔn)確測量這些信息，首先要清楚地掌握望遠(yuǎn)鏡的響應(yīng)函數(shù)。就像用尺子去度量某個(gè)東西，必須保證尺子的刻度是準(zhǔn)確的。對測量儀器的校準(zhǔn)，正如用更精確的長度標(biāo)準(zhǔn)去校準(zhǔn)尺子一樣。
標(biāo)定的過程，是用放置于標(biāo)準(zhǔn)平臺上的儀器測量X射線源，記錄產(chǎn)生出的信號，建立入射已知信號和產(chǎn)生信號之間的關(guān)系，即精確獲得儀器時(shí)間響應(yīng)、能量響應(yīng)和空間位置函數(shù)。這樣，從望遠(yuǎn)鏡獲得觀測數(shù)據(jù)之后，便可準(zhǔn)確地反推出被觀測天體的X射線輻射性質(zhì)。
“之前我們沒有配套的地面標(biāo)定裝置，為此，在研制HXMT的同時(shí)，又投入大量精力建設(shè)了兩套大型標(biāo)定裝置，順利完成了所有探測器的標(biāo)定工作。”宋黎明說。
HXMT衛(wèi)星另一項(xiàng)獨(dú)門絕技是伽馬射線暴監(jiān)測能力。
“這實(shí)際上是一個(gè)無心插柳的美麗巧合。”宋黎明解釋說，最初設(shè)計(jì)該衛(wèi)星時(shí)是沒有伽馬射線暴觀測模式的，但由于近幾年學(xué)術(shù)界對伽馬射線暴越來越關(guān)注，尤其是引力波的發(fā)現(xiàn)，使得伽馬射線暴的研究變得越發(fā)重要，因而對衛(wèi)星探測儀器進(jìn)行重新開發(fā)。
通過調(diào)整高能X射線望遠(yuǎn)鏡主探測器光電倍增管的高壓，使主探測器的探測能區(qū)從20—250keV覆蓋到200keV到3 MeV——這一能區(qū)恰恰是伽馬射線暴能量最集中的區(qū)域。如此一來，HXMT衛(wèi)星在不影響原有科學(xué)目標(biāo)的前提下，能對伽馬射線暴進(jìn)行高靈敏度全天監(jiān)測，大大提升了其科學(xué)能力。
“HXMT衛(wèi)星監(jiān)測伽馬射線暴的有效面積相比以往設(shè)備可提高十倍左右，能夠探測到足夠多的伽馬射線暴光子數(shù)，十分有助于我們對伽馬射線暴細(xì)致結(jié)構(gòu)的深入研究。”馬世俊告訴記者，由于引力波暴也可能產(chǎn)生伽馬射線暴，HXMT在搜尋引力波電磁對應(yīng)體方面也具有明顯的國際競爭力。
慧眼如何練就
HXMT衛(wèi)星憑借一雙火眼金睛識辨銀河眾星源，而在苦練一身看家本領(lǐng)的路途上，必然經(jīng)歷了重重磨難、種種艱辛。
探測技術(shù)基礎(chǔ)較差、少量關(guān)鍵元器件無法實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化、載荷研制隊(duì)伍航天工程經(jīng)驗(yàn)不足……HXMT衛(wèi)星自2011年正式立項(xiàng)以來，中科院高能所的專家們就從未停下過攻堅(jiān)克難的腳步。
HXMT衛(wèi)星使用了很多新的探測技術(shù)，然而這些技術(shù)在國內(nèi)從未有過空間飛行經(jīng)歷，所需要使用的元器件也與我國航天規(guī)范要求之間存在不一致。“我們在處理探測技術(shù)對工作環(huán)境、元器件以及電路方面的影響時(shí)，明顯感到經(jīng)驗(yàn)不足。”宋黎明坦言，這就導(dǎo)致在研制中能和低能X射線望遠(yuǎn)鏡的過程中做了大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。
既然面臨如此多的困難，為什么還要研制這樣一顆衛(wèi)星呢？當(dāng)被問及這一問題時(shí)，宋黎明眼神中露出一絲堅(jiān)定，“X射線無法穿透稠密的大氣層，發(fā)射X射線天文衛(wèi)星是觀測天體X射線輻射的主流手段。中國是個(gè)航天大國，但與發(fā)達(dá)國家相比，空間科學(xué)還很薄弱，HXMT衛(wèi)星的成功發(fā)射將為我國空間科學(xué)的發(fā)展打開一個(gè)關(guān)鍵突破口”。
高能所專家經(jīng)過多年持之以恒的不懈努力，突破了以微弱信號讀出和處理為首的多項(xiàng)探測技術(shù)；自主研制了幾百納米的透軟X射線遮光膜，中能、低能X射線望遠(yuǎn)鏡探測器等關(guān)鍵元器件，打破了國外的技術(shù)封鎖。其中在低等X射線望遠(yuǎn)鏡探測器的研發(fā)中，成功解決了低噪聲讀出問題，系統(tǒng)能量分辨率達(dá)到國際最好水平。
此外，一雙“慧眼”的練就也與中科院高能所專家同中國航天人之間的精誠合作密不可分。
“缺乏航天工程和管理經(jīng)驗(yàn)又給我們的研制提出一道難題，這方面上中國航天科技集團(tuán)五院（下稱‘航天五院’）的專家給予了我們很大的幫助。”談到合作，宋黎明向記者講述了這樣一個(gè)故事：為了更加充分利用高能X射線望遠(yuǎn)鏡的觀測能力，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)完成以后，高能所專家又提出了一項(xiàng)新的科學(xué)目標(biāo)——監(jiān)測伽馬射線暴。
伽馬暴觀測模式是在觀測源被擋住時(shí)啟動的，增加這一新的工作模式對衛(wèi)星提出了更多的要求。首先必須知道觀測源什么時(shí)候被遮擋，其次要控制衛(wèi)星上的儀器按流程工作。
“這些都需要通過近百條事先編好的指令來完成，而原來衛(wèi)星上是沒有為這些指令預(yù)留存儲的，為了實(shí)現(xiàn)該科學(xué)目標(biāo)，我們將衛(wèi)星控制中的部分指令空間讓了出來。”馬世俊說，這體現(xiàn)了航天五院在滿足技術(shù)可靠性的基礎(chǔ)上，最大限度地服務(wù)于科學(xué)需求的工作理念。
“不僅如此，航天五院的專家還親自幫助我們篩選元器件，將采購航天材料的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提供給我們。”宋黎明難掩心中感激之情。
在HXMT衛(wèi)星工程研制中，航天五院承擔(dān)衛(wèi)星平臺的研制任務(wù)，中科院高能所負(fù)責(zé)科學(xué)目標(biāo)提出、有效載荷研制以及科學(xué)數(shù)據(jù)處理和分析。
兩支中國前沿科學(xué)的“夢之隊(duì)”以精湛技術(shù)、精準(zhǔn)試驗(yàn)的研發(fā)理念，打造出用中國理論、中國衛(wèi)星，提供給中國和全世界科學(xué)家使用的太空望遠(yuǎn)鏡，以齊心協(xié)力、眾志成城的合作精神樹立了航天與科學(xué)、工程與技術(shù)完美融合的時(shí)代典范。（經(jīng)濟(jì)日報(bào)·中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏 李芃達(dá)）
