“试用期”取得瞩目成果 “慧眼”继续大展身手

1月30日，我国自主设计研制的首颗大型X射线天文卫星“慧眼”，经半年多在轨测试后正式投入使用，将在黑洞、中子星等致密天体的观测研究方面“大展身手”。

“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星（HXMT），于2017年6月15日成功发射。在轨测试阶段，“慧眼”已取得超出预期的不俗成绩，例如在去年的双中子星并合引力波事件发生时，“慧眼”成功监测了引力波源所在天区，对其伽马射线电磁对应体在高能区的辐射性质给出了严格限制，为全面理解该事件的物理机制作出了中国贡献。

“慧眼”在“试用期”的成果是如何取得的？正式投入使用后，面临哪些任务和挑战？带着这些问题，南方日报记者专访了硬X射线调制望远镜卫星地面应用系统和载荷专家、中科院高能物理研究所研究员宋黎明，揭秘“慧眼”。

成绩斐然

引力波观测成果受瞩目

2017年6月15日，“慧眼”成功发射。但对科学家来说，还有很多调试工作要做。宋黎明告诉南方日报记者，从6月15日到11月15日的5个月里，科学家持续优化探测器的工作状态参数，并测试探测器的性能。

在轨测试的另一项工作是给探测器“划定刻度”。“比如一个100KeV（千电子伏特）能量的光子进来以后，它记录的时间和能量对不对。我们要进行标定，也就是‘把刻度刻准’。”宋黎明说。

此外，科学家还对“慧眼”的全天球扫描、目标定点凝视、小天区深度扫描、伽马射线暴探测等几种工作模式进行了全面的检验。

“同时，我们也对感兴趣的天体进行了试观测。”宋黎明说。

恰恰是“试观测”取得了国际瞩目的成果，其中之一是对2017年引力波事件的贡献。宋黎明介绍，去年8月17日的引力波事件，全球很多机构都进行了跟踪和联合观测。“慧眼”也监测到了两个中子星合并的区域，并且因为是在这个能段最灵敏的仪器，所以给出了最精确的观测信息。

“慧眼”的观测成果得到了国际同行的认可。“引力波联合观测发表的论文有上千家单位参与，中科院高能所根据贡献排在第七位。”

宋黎明说，引力波观测成果的取得“比较幸运”，但“慧眼”另几项成果同样引人瞩目。

试观测期间，“慧眼”对蟹状星云脉冲星进行了观测，“在观测期间，‘慧眼’看到了脉冲跳变的现象，并给出了脉冲星自转跳变的演化规律。”宋黎明说。

此外，“慧眼”通过对中子星回旋吸收线的观测，在世界上首次直接测量到最强的中子星磁场强度。

性能独特

能“看到”超大质量黑洞

硬X射线调制望远镜卫星——在这个有些拗口的名字中，“硬X射线”和“调制”体现了这颗卫星的与众不同。

脉冲星、伽马射线暴、黑洞等天体都会射出X射线，如果能接收到这些射线并加以分析，就能勾画出这些天体的轮廓，对人类探索太空具有重要意义。

那么，何为“硬”呢？宋黎明解释道，X射线的波长越短，能量就越高。“硬X射线”就是能量比较高的X射线。“慧眼”携带了高能、中能和低能三种探测器，能实现X射线探测全覆盖。

谈到硬X射线波段探测的优势，宋黎明说：“X射线的能量越高，穿透力就越强。这样的好处之一是我们‘看到’的天体发射的X射线来自比较靠近辐射中心部分的区域。”

例如，黑洞吸积周围物质形成吸积盘，其最后一个稳定轨道内边缘的温度达到数百万、上千万度，发射强烈的“软X射线”；而从吸积盘边缘到黑洞视界的高温等离子体温度高达数十亿度，这个区域就主要发射比“软X射线”能量更高的“硬X射线”。

“慧眼”的独特之处就在于，它能够“看到”被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体，可以同时得到宽能段的观测数据，研究靠近辐射区中心发生的过程。“比如黑洞附近物质运动的动力学过程、检验黑洞附近的引力效应。”宋黎明说。

宋黎明还提到，硬X射线也比较适用于研究高温、高磁场强度这些极端的环境和极端的物理过程。

至于“调制”二字，宋黎明说，这是高能物理研究所李惕碚院士、吴枚研究员等专家提出的设计。“‘调制’指的是一种观测模式和后续成像方法的结合，用非成像仪器通过扫描观测，经过解调算法处理，能够得到高精度的天图。”这样就可以利用简单的仪器，通过观测模式的变化得到精确的结果。

此外，值得一提的还有，“慧眼”对伽马射线暴的探测能力特别强，在其所在的探测能段里，“慧眼”是全世界在轨的探测器中最灵敏的。

科研目标

借高频次观测认识黑洞

天文观测离不开合作。宋黎明介绍，“慧眼”的观测目标除了部分核心内容外，还有很大一部分是国内其他科学家提出来的。此外，“慧眼”和国内外的观测机构都有联合观测。“我们有一个专门委员会去协调这件事，目前国内和我们开展联合观测的天文台有新疆天文台、国家天文台、云南天文台和上海天文台；观测的波段有光学观测，也有射电观测。”

国际上，“慧眼”和美国、欧洲的几个卫星开展联合观测。此外，还通过国际高能天文标定大会（IACHEC）共享观测数据。

对于“慧眼”今后的科学研究目标，宋黎明表示，要开展对银道面、银心和核球天区的扫描巡天和监测，目标有以下几点：一是对已有的高能天体源的分布情况进行研究，就已知的高能天体情况进行调查，发现新的高能变源和已知高能天体的新活动。二是对银河系内黑洞和中子星进行长期高频次监测，理解黑洞和中子星系统的活动和演化机制。“因为是我国自己的卫星，所以我们可以对感兴趣的源进行长期的高频次观测，看天体的长期演化。”三是通过对高流强河内黑洞和中子星进行高统计量观测，理解吸积黑洞和中子星系统的基本性质。

此外，利用“慧眼”扩展到200keV-3MeV（兆电子伏特）能段的探测能力，获得新的伽马射线暴及其它爆发现象的能谱和时变观测数据，理解高能剧烈爆发天体的基本属性，研究宇宙深处大质量恒星的死亡以及中子星并合等过程中黑洞的形成。

链接

“慧眼”研制的背后：

两支“国家队”的强强联合

“慧眼”的研制团队属国内顶尖：在“慧眼”研制工程中，中科院高能物理研究所承担科学目标的提出、有效载荷研制；中国航天科技集团公司五院承担卫星平台的研制。两支“国家队”的合作，促成了工程与科学、工程与技术的完美融合。

实现科研目标，需要卫星的设计团队拥有雄厚的技术实力基础，更需要针对需求进行量身定制的综合实力。南方日报记者从航天五院了解到，为提高多种观测模式下的控制精度，五院的设计师围绕巡天、定点和小天区扫描三种模式对卫星的姿态控制方式和指向精度进行了专门的设计攻关，最终确保了“慧眼”的实际指向精度比指标要求提高近10倍。

为了保证“慧眼”能够随时与地面站联系，设计师采用了两副天线两两组阵的方式，解决了全空间测控这一难题，实现了数传天线在轨自主选择，解决了有效载荷数据地面下传的问题，确保了卫星不用地面发指令，而是自己选择、自动切换，随时与“家里”保持联系。（记者 王诗堃 王腾腾）