“試用期”取得矚目成果 “慧眼”繼續大展身手

1月30日，我國自主設計研制的首顆大型X射線天文衛星“慧眼”，經半年多在軌測試后正式投入使用，將在黑洞、中子星等致密天體的觀測研究方面“大展身手”。

“慧眼”全稱硬X射線調制望遠鏡衛星（HXMT），於2017年6月15日成功發射。在軌測試階段，“慧眼”已取得超出預期的不俗成績，例如在去年的雙中子星並合引力波事件發生時，“慧眼”成功監測了引力波源所在天區，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限制，為全面理解該事件的物理機制作出了中國貢獻。

“慧眼”在“試用期”的成果是如何取得的？正式投入使用后，面臨哪些任務和挑戰？帶著這些問題，南方日報記者專訪了硬X射線調制望遠鏡衛星地面應用系統和載荷專家、中科院高能物理研究所研究員宋黎明，揭秘“慧眼”。

成績斐然

引力波觀測成果受矚目

2017年6月15日，“慧眼”成功發射。但對科學家來說，還有很多調試工作要做。宋黎明告訴南方日報記者，從6月15日到11月15日的5個月裡，科學家持續優化探測器的工作狀態參數，並測試探測器的性能。

在軌測試的另一項工作是給探測器“劃定刻度”。“比如一個100KeV（千電子伏特）能量的光子進來以后，它記錄的時間和能量對不對。我們要進行標定，也就是‘把刻度刻准’。”宋黎明說。

此外，科學家還對“慧眼”的全天球掃描、目標定點凝視、小天區深度掃描、伽馬射線暴探測等幾種工作模式進行了全面的檢驗。

“同時，我們也對感興趣的天體進行了試觀測。”宋黎明說。

恰恰是“試觀測”取得了國際矚目的成果，其中之一是對2017年引力波事件的貢獻。宋黎明介紹，去年8月17日的引力波事件，全球很多機構都進行了跟蹤和聯合觀測。“慧眼”也監測到了兩個中子星合並的區域，並且因為是在這個能段最靈敏的儀器，所以給出了最精確的觀測信息。

“慧眼”的觀測成果得到了國際同行的認可。“引力波聯合觀測發表的論文有上千家單位參與，中科院高能所根據貢獻排在第七位。”

宋黎明說，引力波觀測成果的取得“比較幸運”，但“慧眼”另幾項成果同樣引人矚目。

試觀測期間，“慧眼”對蟹狀星雲脈沖星進行了觀測，“在觀測期間，‘慧眼’看到了脈沖跳變的現象，並給出了脈沖星自轉跳變的演化規律。”宋黎明說。

此外，“慧眼”通過對中子星回旋吸收線的觀測，在世界上首次直接測量到最強的中子星磁場強度。

性能獨特

能“看到”超大質量黑洞

硬X射線調制望遠鏡衛星——在這個有些拗口的名字中，“硬X射線”和“調制”體現了這顆衛星的與眾不同。

脈沖星、伽馬射線暴、黑洞等天體都會射出X射線，如果能接收到這些射線並加以分析，就能勾畫出這些天體的輪廓，對人類探索太空具有重要意義。

那麼，何為“硬”呢？宋黎明解釋道，X射線的波長越短，能量就越高。“硬X射線”就是能量比較高的X射線。“慧眼”攜帶了高能、中能和低能三種探測器，能實現X射線探測全覆蓋。

談到硬X射線波段探測的優勢，宋黎明說：“X射線的能量越高，穿透力就越強。這樣的好處之一是我們‘看到’的天體發射的X射線來自比較靠近輻射中心部分的區域。”

例如，黑洞吸積周圍物質形成吸積盤，其最后一個穩定軌道內邊緣的溫度達到數百萬、上千萬度，發射強烈的“軟X射線”﹔而從吸積盤邊緣到黑洞視界的高溫等離子體溫度高達數十億度，這個區域就主要發射比“軟X射線”能量更高的“硬X射線”。

“慧眼”的獨特之處就在於，它能夠“看到”被塵埃遮擋的超大質量黑洞和未知類型天體，可以同時得到寬能段的觀測數據，研究靠近輻射區中心發生的過程。“比如黑洞附近物質運動的動力學過程、檢驗黑洞附近的引力效應。”宋黎明說。

宋黎明還提到，硬X射線也比較適用於研究高溫、高磁場強度這些極端的環境和極端的物理過程。

至於“調制”二字，宋黎明說，這是高能物理研究所李惕碚院士、吳枚研究員等專家提出的設計。“‘調制’指的是一種觀測模式和后續成像方法的結合，用非成像儀器通過掃描觀測，經過解調算法處理，能夠得到高精度的天圖。”這樣就可以利用簡單的儀器，通過觀測模式的變化得到精確的結果。

此外，值得一提的還有，“慧眼”對伽馬射線暴的探測能力特別強，在其所在的探測能段裡，“慧眼”是全世界在軌的探測器中最靈敏的。

科研目標

借高頻次觀測認識黑洞

天文觀測離不開合作。宋黎明介紹，“慧眼”的觀測目標除了部分核心內容外，還有很大一部分是國內其他科學家提出來的。此外，“慧眼”和國內外的觀測機構都有聯合觀測。“我們有一個專門委員會去協調這件事，目前國內和我們開展聯合觀測的天文台有新疆天文台、國家天文台、雲南天文台和上海天文台﹔觀測的波段有光學觀測，也有射電觀測。”

國際上，“慧眼”和美國、歐洲的幾個衛星開展聯合觀測。此外，還通過國際高能天文標定大會（IACHEC）共享觀測數據。

對於“慧眼”今后的科學研究目標，宋黎明表示，要開展對銀道面、銀心和核球天區的掃描巡天和監測，目標有以下幾點：一是對已有的高能天體源的分布情況進行研究，就已知的高能天體情況進行調查，發現新的高能變源和已知高能天體的新活動。二是對銀河系內黑洞和中子星進行長期高頻次監測，理解黑洞和中子星系統的活動和演化機制。“因為是我國自己的衛星，所以我們可以對感興趣的源進行長期的高頻次觀測，看天體的長期演化。”三是通過對高流強河內黑洞和中子星進行高統計量觀測，理解吸積黑洞和中子星系統的基本性質。

此外，利用“慧眼”擴展到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它爆發現象的能譜和時變觀測數據，理解高能劇烈爆發天體的基本屬性，研究宇宙深處大質量恆星的死亡以及中子星並合等過程中黑洞的形成。

鏈接

“慧眼”研制的背后：

兩支“國家隊”的強強聯合

“慧眼”的研制團隊屬國內頂尖：在“慧眼”研制工程中，中科院高能物理研究所承擔科學目標的提出、有效載荷研制﹔中國航天科技集團公司五院承擔衛星平台的研制。兩支“國家隊”的合作，促成了工程與科學、工程與技術的完美融合。

實現科研目標，需要衛星的設計團隊擁有雄厚的技術實力基礎，更需要針對需求進行量身定制的綜合實力。南方日報記者從航天五院了解到，為提高多種觀測模式下的控制精度，五院的設計師圍繞巡天、定點和小天區掃描三種模式對衛星的姿態控制方式和指向精度進行了專門的設計攻關，最終確保了“慧眼”的實際指向精度比指標要求提高近10倍。

為了保証“慧眼”能夠隨時與地面站聯系，設計師採用了兩副天線兩兩組陣的方式，解決了全空間測控這一難題，實現了數傳天線在軌自主選擇，解決了有效載荷數據地面下傳的問題，確保了衛星不用地面發指令，而是自己選擇、自動切換，隨時與“家裡”保持聯系。（記者 王詩堃 王騰騰）