張開“慧眼”看宇宙

 

“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡示意圖。中國科學(xué)院供圖

 

在以習(xí)近平同志為核心的黨中央堅(jiān)強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)下，在全國科技界和社會(huì)各界共同努力下，我國科技實(shí)力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍、從點(diǎn)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(chǔ)研究和原始創(chuàng)新取得重要進(jìn)展，戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域取得新跨越，高端產(chǎn)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(qiáng)成就非凡。

 

本版今起推出“為這些科技突破點(diǎn)贊”系列報(bào)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(qiáng)的生動(dòng)實(shí)踐。

 

——編 者

 

認(rèn)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(dòng)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(xué)界引起轟動(dòng)。

 

好成績的背后是“硬實(shí)力”。“慧眼”衛(wèi)星全稱“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)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(shí)間分辨率高、有效工作時(shí)間占比高等優(yōu)點(diǎn)。正因如此，在4年運(yùn)行期間，“慧眼”衛(wèi)星精準(zhǔn)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(yuǎn)鏡衛(wèi)星在空間軌道捕捉X射線，成為各國科學(xué)家競相追逐的目標(biāo)

 

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(shí)，我們通常都會(huì)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(qiáng)。

 

宇宙中很多極端天體物理過程都會(huì)產(chǎn)生并發(fā)射強(qiáng)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(xué)家張雙南說：“比如，中子星和黑洞吸積物質(zhì)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(huì)產(chǎn)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(zhì)和特點(diǎn)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(xì)地了解宇宙。”張雙南說。

 

然而，X射線極易被介質(zhì)吸收，穿越地球大氣層時(shí)會(huì)嚴(yán)重衰減，在地面上根本無法對其進(jìn)行觀測。因此，通過望遠(yuǎn)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(xué)家競相追逐的目標(biāo)。

 

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

 

對于硬X射線，國際上的普遍辦法之一是采用準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行探測。但是，準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡的缺點(diǎn)在于它會(huì)損失很多探測光子的信息，從而導(dǎo)致探測結(jié)果對有些研究的精度較低。早在1993年，中國科學(xué)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(diào)方法的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想。

 

張雙南說：“當(dāng)時(shí)，李院士原創(chuàng)性地提出了用非線性數(shù)學(xué)手段，直接對探測器陣列的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行求解成像，這一直接解調(diào)法能夠使非成像探測器實(shí)現(xiàn)成像。”

 

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

 

“慧眼”衛(wèi)星不僅“看”得勤，還“看”得清，可以全天時(shí)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(shí)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(yàn)證，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

 

“慧眼”衛(wèi)星能夠如此迅速而高效展開科學(xué)觀測工作，與它的獨(dú)特設(shè)計(jì)密不可分。“慧眼”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是4年，質(zhì)量2496千克。本體呈立方體構(gòu)型，由服務(wù)艙、載荷艙、太陽翼等構(gòu)成，主要工作模式包括巡天觀測、定點(diǎn)觀測和小天區(qū)掃描模式。

 

因?yàn)?ldquo;慧眼”衛(wèi)星具有復(fù)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(shí)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(yuǎn)鏡之一，可以進(jìn)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(shè)備可提高數(shù)倍。由于引力波暴也可能產(chǎn)生伽馬射線暴，‘慧眼’在搜尋引力波電磁對應(yīng)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(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器等4個(gè)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(jié)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(shí)的時(shí)變過程是怎樣的，相比國際上同類衛(wèi)星，有更高的時(shí)間分辨率。

 

此外，工作模式多、平臺(tái)高可靠等優(yōu)點(diǎn)，讓“慧眼”衛(wèi)星在復(fù)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(shí)下傳等工作，保證任務(wù)順利實(shí)施。

 

“慧眼”衛(wèi)星運(yùn)行已4年，狀態(tài)良好，各項(xiàng)指標(biāo)正常，取得一系列重大科學(xué)成果

 

令人驚奇的是，“慧眼”衛(wèi)星在天上運(yùn)行僅兩個(gè)月，就利用新開發(fā)的科學(xué)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(tái)和室女座引力波天文臺(tái)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(yīng)體觀測聯(lián)盟發(fā)現(xiàn)了該引力波事件的電磁對應(yīng)體。當(dāng)天，中國“慧眼”衛(wèi)星對這次引力波事件發(fā)生也進(jìn)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(shí)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(yīng)體在高能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制。”

 

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

 

此后，“慧眼”衛(wèi)星又陸續(xù)取得一系列重大科學(xué)成果，包括直接測量到宇宙最強(qiáng)磁場、高精度實(shí)現(xiàn)了脈沖星導(dǎo)航的在軌驗(yàn)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(rèn)首例和快速射電暴同時(shí)發(fā)生并且來自于磁星（磁場極強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)圖像的產(chǎn)生機(jī)制；完整探測到了第24太陽活動(dòng)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(shí)間演化提供了新的觀測結(jié)果等。

 

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

 

張雙南說：“目前，‘慧眼’衛(wèi)星雖然已經(jīng)超過了其設(shè)計(jì)壽命，但運(yùn)行狀態(tài)良好，各項(xiàng)指標(biāo)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(lǐng)導(dǎo)的大型國際合作空間項(xiàng)目“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)”已進(jìn)入方案設(shè)計(jì)階段。研制成功后，它將成為2027年后國際領(lǐng)先的旗艦級空間X射線天文臺(tái)，其綜合性能相比國際同類衛(wèi)星有一個(gè)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(xué)發(fā)現(xiàn)。（記者 吳月輝）