解读HXMT卫星：中华“慧眼”观测能力有多强

硬X射线调制望远镜卫星结构示意图

在广阔的天空中，在轨道上的“中国方阵”航天器中，除了天州一号货船和天宫二号空间实验室外，还有一颗最近发射的新卫星——硬x射线调制望远镜卫星(HXMT)。与其他航天器相比，这颗重约2.5吨、离地面550公里的卫星看起来很丑，但它已经引起了国际媒体的极大关注。英国《金融时报》表示，这颗卫星的发射是中国发展类似美国和俄罗斯的太空计划的重要一步。

硬X射线调制望远镜卫星的任务是什么？它配备了什么高科技科学有效载荷？与类似的卫星相比，它的突出特点是什么？它会对人类理解太空做出什么贡献？人们迫切需要知道这些问题的答案。

绘制高精度硬X射线天空图

尽管这颗硬X射线调制望远镜卫星被戏称为中国的“智慧之眼”，但对许多人来说，它似乎并没有很好的基础。它让人们感觉“高高在上”，同时又有点“冷”，从几千英里之外。难怪现代天文学技术本身离人们的生活很远，这个词是从英文直译过来的。接近人们真的不容易。要消除“冷感”，首先必须熟悉两个概念:“硬x射线”和“调制”。

“硬x光”是x光的一种。我们熟悉x光。我们在医院拍x光片，并在各种安全检查中与他们接触。根据波长，它分为两类:较短的波长(较高的能量)称为硬X射线，较长的波长称为软X射线。可以看出，这里的“软”和“硬”仅用于分类。一些天体或天体现象，如脉冲星、伽马射线爆发、超新星遗迹、黑洞等。它们都发射x射线，主要是硬x射线，与软x射线相比，硬x射线可以不受阻挡地穿过宇宙尘埃等。另一方面，X射线穿过地球大气层时会被严重衰减。因此，发射望远镜卫星捕捉太空轨道上的X射线，尤其是硬X射线，已成为各国科学家追求的目标。

“调制”指的是中国科学家发明的“将调制信号还原成图像”的技术。望远镜在太空中通过硬X射线观察天体时必须完成“成像”，这是核心技术难点。20世纪90年代初，中国科学院高能物理研究所李体北院士和他的同事吴梅努力探索一种“直接解调”方法，以实现高灵敏度和高分辨率成像，这种成像技术比国际上采用的编码孔径成像技术更加成熟和廉价。此后，李体北院士将成像技术与扫描探测技术相结合，很快提出了硬X射线调制望远镜的概念——通过对硬X射线源的成像观测，绘制高精度硬X射线天空图。

几代科学家在24年中磨练出来了。

对于许多不知道背景的人来说，“眼睛”似乎是一夜之间诞生的，它一步一步地将中国带入了X射线天文学时代。对李提贝来说，这是一个漫长而焦虑的过程。1993年，他提出了基于直接解调法的硬X射线调制望远镜的想法。此后，他通过各种方式积极争取支持。尽管屡遭挫折，李提贝和他的团队并没有丧失信心，而是根据这一领域的最新国际发展情况，继续完善相关计划。2011年，硬X射线空间望远镜最终获得正式批准，并与暗物质卫星一起被纳入“十二五”空间战略试点项目。

虽然李体北和吴梅两位老一代科学家成功地解决了“成像”问题，奠定了相关的技术基础，但他们在望远镜研制和项目实施过程中仍面临一系列技术障碍。“眼睛”卫星项目的总工程师、第五航空航天科学技术研究院的研究员马世军说，例如，在卫星的热控制设计中，为了确保有效载荷的探测精度，高能、中能和低能探测器必须集中安装在同一支撑结构上，但它们的温度要求彼此相差很大。一些敏感的仪器设备只能在零下60℃到零下80℃的低温下正常工作。研发团队的成员互相激励，专注于解决关键问题。最后，他们想出了多层次隔热措施、深冷热管技术、梯度升温等巧妙的方法，成功地解决了这一难题。

国际技术*是该项目必须面对的另一个困难。在芯载高能望远镜的研制过程中，有必要引进某种类型的探测器。项目组已经与外方签订了进口合同，但后来被国外有关部门停止了。面对这一困境，项目团队团结起来，在压力下奋起，走上了独立研发的道路。既然是摸索，走一些弯路是不可避免的，但他们并不气馁。经过29轮试生产，完成了30多个样品，最终通过不懈的努力，一条路被“扼杀”。

带着“法宝”不睡觉地在天空巡逻。

从“眼睛”的实际负载和探测能力来看，它被称为“硬x射线调制望远镜”，这有点不真实，因为它不仅能观察和成像高能硬x射线、中能和低能软x射线，而且还能通过携带几种“神奇武器”来监测空间环境。特别是“眼睛”项目的首席科学家张双南创造性地改造了最初用于屏蔽干扰粒子的探测器，使其成为世界上最大、最灵敏的伽马射线探测器，大大扩展了其探测范围和能力。

“天眼”项目总指挥潘腾表示，一旦卫星进入太空，望远镜将进入不间断、不间断的空中巡逻模式。换句话说，它将一天24小时、每分每秒地工作，在预期的4年里密切关注这个空间。

具体来说，“眼睛”将从四个方面进行空间探索活动:首先，它将对银河平面(天球上沿银河系画的一个大圆是银道，银道所在的主平面是银河平面)进行调查，并发现新的高能可变源和已知高能天体的新活动；二是通过观察和分析黑洞和中子星等高能天体的光变率和能谱特性，加深对致密天体和黑洞强引力场中的动力学和高能辐射过程的理解。第三，在硬X射线/软伽马射线能量区获得伽马射线爆发和其他爆发的能谱和时变观测数据，以研究宇宙深处由大质量恒星死亡和中子星合并引起的黑洞形成过程。四是探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理，并开展在轨实验。“眼睛”不同于镜面望远镜，后者受其面积和视野的限制。在天空测量中，它具有更大的探测面积、更多的探测信号和更高的效率。

6月16日，大约在发射后24小时，“眼睛”成功地将第一批数据以2GB的速度传回。实践证明，数据质量良好。

与欧美发达国家相比，中国在空间科学方面无疑仍处于起步阶段，但仍有机会赶上其他国家。“智能眼”有望在中国的X射线天文学领域占据一席之地。正如一位美国同事高度赞扬的那样，中国的硬X射线调制望远镜卫星将是未来一段时间研究黑洞动力学的一个独特的“利器”，也是X射线天文学史上的一个里程碑。

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x射线天文学

X射线天文学是天文学的一个分支，它以天体的X射线辐射为主要研究方法。天体的X射线受到地球大气层的严重阻碍，主要被卫星探测到。早期的x光探测集中在对太阳的研究上。自从麻省理工学院的研究小组于1962年6月18日首次从天蝎座发现一个强大的X射线源以来，非太阳X射线天文学已经进入了一个新的发展阶段。自1970年代以来，发射了专门从事X射线研究的天文卫星，并观测到许多以前未知的宇宙X射线源，导致X射线源数量急剧增加。

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x射线望远镜

X射线望远镜是一种用来探测地球大气层以外的其他来源发出的X射线，并将X射线区分成图像的仪器。由于大气吸收，x光望远镜必须由气球、火箭或宇宙飞船带到高空。由于天体X射线源又远又弱，这些探测器通常具有较大的集光面积和较高的效率来探测宇宙射线在背景上产生的X射线。

第一颗名为“乌呼鲁”的人类x光天文卫星于1970年在美国科学家贾科尼的领导下在肯尼亚发射。在大约三年的运作中，350个X射线源被确认，包括X射线双星、超新星遗迹、星系团、塞佛特星系等。贾科尼因其对X射线天文学的开创性贡献获得了2002年诺贝尔物理学奖。乌呼鲁之后，发射了一系列携带X射线的望远镜卫星，包括欧洲的XMM- Newton卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星等。