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解讀中國硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星:觀測能力有多強?
硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖
茫茫天宇間,在軌運行的航天器“中國方陣”中,除了天舟一號貨運飛船、天宮二號空間實驗室等之外,還有一顆近日發(fā)射升空的新衛(wèi)星——硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星(HXMT)。與其他航天器相比,這顆重約2.5噸,在距地面550公里的軌道上運行的衛(wèi)星看起來其貌不揚,卻引起了國際媒體的高度關(guān)注。英國《金融時報》稱,這顆衛(wèi)星的發(fā)射是中國在發(fā)展可與美俄匹敵的太空計劃的征程中邁出的重要一步。
硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星的使命是什么?它裝備了哪些高精尖的科學(xué)載荷?與同類衛(wèi)星相比它有哪些突出的特點?它將為人類認識太空作出怎樣的貢獻?人們亟待了解這些問題的答案。
繪高精度硬X射線天圖
硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星雖然被冠以中國“慧眼”的雅稱,但是對很多人來說,它似乎不怎么接地氣,讓人們在感到“高大上”的同時,也有幾分拒人千里之外的“冰冷感”。這也難怪,現(xiàn)代天文學(xué)科技本身就距離人們的生活頗為遙遠,再加上該詞又是由英語直譯而來,想讓人親近真的不容易。而要去除“冰冷感”,就要先熟悉兩個概念:“硬X射線”和“調(diào)制”。
“硬X射線”是X射線的一種。對X射線,我們是熟悉的,在醫(yī)院拍攝透視片,在各類安檢中,都接觸過它。根據(jù)波長,它被分為兩類:波長較短(能量較高)的稱為硬X射線,波長較長的稱為軟X射線??梢?,這里的“軟”“硬”僅是用于分類表述而已。一些天體或天體現(xiàn)象如脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等都會射出X射線,其中主要是硬X射線,而這類射線與軟X射線相比,能穿越宇宙塵埃等,不被遮擋。另一方面,X射線穿越地球大氣層時會嚴(yán)重衰減。所以,發(fā)射望遠鏡衛(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)。
“調(diào)制”是指中國科學(xué)家創(chuàng)新的把“調(diào)制后的信號還原成圖像”的技術(shù)。望遠鏡在太空通過硬X射線進行天體觀測,必須完成“成像”,而這是核心技術(shù)難點。上世紀(jì)90年代初,中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吳枚研究員經(jīng)過艱苦努力,探索出“直接解調(diào)”方法,實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的成像,比國際上采用的編碼孔徑成像技術(shù)更成熟、更便宜。之后,李惕碚院士把成像技術(shù)與掃描探測技術(shù)結(jié)合在一起,很快便提出了硬X射線調(diào)制望遠鏡的概念——通過對硬X射線源的成像觀測,繪制高精度的硬X射線天圖。
數(shù)代科學(xué)家經(jīng)24年磨礪
對很多不了解背景的人來說,“慧眼”仿佛一夜之間橫空出世,并且一步把中國帶入到X射線天文學(xué)時代。而對于李惕碚而言,這是一個漫長而焦灼的過程。1993年,他提出了基于直接解調(diào)方法的硬X射線調(diào)制望遠鏡的設(shè)想,之后,他積極奔走,通過各種方式,爭取支持。雖然一次次遇到挫折,但是李惕碚和他的團隊并不灰心,根據(jù)該領(lǐng)域國際上的最新進展,不斷完善相關(guān)方案。2011年,硬X射線太空望遠鏡終于正式立項,與暗物質(zhì)衛(wèi)星等一起被列入“十二五”空間戰(zhàn)略先導(dǎo)專項。
李惕碚和吳枚兩位老一代科學(xué)家雖然已經(jīng)成功解決了“成像”難題,奠定了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ),但是在望遠鏡研制和項目實施過程中仍然面臨一系列技術(shù)障礙。“慧眼”衛(wèi)星工程總師、航天科技集團五院研究員馬世俊介紹說,比如衛(wèi)星熱控設(shè)計方面,為保證有效載荷探測精度,必須將高能、中能、低能探測器集中安裝在同一支撐結(jié)構(gòu)上,但它們彼此間溫度要求相差極大。有些靈敏的儀器設(shè)備必須在零下60℃到零下80℃的低溫下才能正常工作。研發(fā)團隊成員相互啟發(fā)、集中攻關(guān),終于琢磨出多級隔熱措施、深冷熱管技術(shù)、梯度溫度加熱等妙招,成功解決這一難題。
國際技術(shù)封鎖是該項目必須面對的另一個困難。在核心載荷高能望遠鏡研制過程中,需要進口某一個型號探測器,項目團隊已經(jīng)與外方簽訂了進口合同,但之后被外方所在國有關(guān)部門叫停。面對困局,項目團隊橫下一條心,在壓力下奮起,走自主研發(fā)道路。既然是摸索,總免不了走些彎路,但是他們不氣餒。持之以恒地努力終于獲得了應(yīng)有的回報,經(jīng)過29輪試制,完成30多個樣品,終于“殺”出一條路來。
攜帶眾“法寶”巡天不眠不休
從“慧眼”的實際載荷和探測能力來看,它被稱作“硬X射線調(diào)制望遠鏡”多少有些名不副實了,因為它通過攜帶的幾件“法寶”,不僅可以對高能的硬X射線和中能、低能的軟X射線進行觀測與成像,而且還可以監(jiān)測空間環(huán)境。特別值得一提的是,“慧眼”項目首席科學(xué)家張雙南創(chuàng)造性地對原本用于屏蔽干擾粒子的探測器稍加改造,使其成為目前世界上面積最大、靈敏度最高的伽馬暴探測器,大大拓展了其探測范圍和能力。
據(jù)“慧眼”項目總指揮潘騰介紹,衛(wèi)星進入太空后,望遠鏡就會進入一刻不停、持續(xù)不間斷的巡天模式,也就是說,在預(yù)期4年的壽命中,它每天都要24小時分秒必爭地工作,緊“盯”著宇宙空間。
具體來說,“慧眼”將開展4個方面的空間探測活動:一是對銀道面(天球上沿銀河畫出的一大圓為銀道,銀道所在的主平面即為銀道面)進行巡天觀測,發(fā)現(xiàn)新的高能變源和已知高能天體的新活動;二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質(zhì),加深對致密天體和黑洞強引力場中動力學(xué)和高能輻射過程的認識;三是在硬X射線/軟伽馬射線能區(qū)獲得伽馬射線暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象的能譜和時變觀測數(shù)據(jù),研究宇宙深處大質(zhì)量恒星死亡以及中子星并合等導(dǎo)致的黑洞的形成過程;四是探索利用X射線脈沖星進行航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理,并開展在軌實驗?!盎垩邸辈煌阽R面望遠鏡受制于其面積和視場,在巡天過程中,其探測面積更大、探測到的信號更多、效率更高。
6月16日,也就是在發(fā)射約24小時,“慧眼”就成功把第一批超過2GB的數(shù)據(jù)傳送回來。經(jīng)驗證,數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。
與歐美發(fā)達國家相比,中國在空間科學(xué)方面無疑還處于起步階段,但仍然有迎頭追趕的機會,“慧眼”就有望在X射線天文學(xué)領(lǐng)域為中國搶占一席之地。正如一位美國同行盛贊的那樣,中國硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星,將是今后這段時期研究黑洞動力學(xué)過程獨一無二的“利器”,是X射線天文學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑。
鏈接一
X射線天文學(xué)
X射線天文學(xué)是以天體的X射線輻射為主要研究手段的天文學(xué)分支。天體的X射線受到地球大氣的嚴(yán)重阻礙,主要利用衛(wèi)星進行探測。早期的X射線探測工作集中于對太陽的研究。自從1962年6月18日美國麻省理工學(xué)院研究小組第一次發(fā)現(xiàn)來自天蝎座方向的強大 X射線源以后,非太陽 X射線天文學(xué)進入一個新的發(fā)展階段。上世紀(jì)70年代以來,發(fā)射了專門研究 X射線的天文衛(wèi)星,觀測到許多先前不知道的宇宙 X射線源,使X射線源的數(shù)目猛增。
鏈接二
X射線望遠鏡
X射線望遠鏡是為了探測地球大氣層以外的源所發(fā)射的X射線,并把X射線分辨為一個圖象而設(shè)計的一種儀器。由于大氣吸收,所以X射線望遠鏡必須用氣球、火箭或空間運載工具帶到高空。因為天體X射線源都是遠而弱的,這些探測器通常都要有大的集光面積和高的效率,以便在宇宙射線引起的背景上探測到X射線。
人類第一個X射線天文衛(wèi)星叫“烏呼魯”,是在美國科學(xué)家賈科尼領(lǐng)導(dǎo)下于1970年在肯尼亞發(fā)射升空的,在約3年運行時間里,確定了350個X射線源,包括X射線雙星、超新星遺跡、星系團、塞弗特星系等。賈科尼因在X射線天文學(xué)方面的先驅(qū)性貢獻而獲得2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。在“烏呼魯”之后,一系列搭載X射線的望遠鏡衛(wèi)星發(fā)射升空,其中包括歐洲的XMM-牛頓衛(wèi)星、美國的羅西X射線時變探測器、錢德拉X射線天文臺、日本的朱雀衛(wèi)星等。
編輯:秦云
關(guān)鍵詞:中國硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星 觀測能力