中国首台硬X射线太空望远镜升空

刑天

根据新华社消息，北京时间2017年6月15日11时00分，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”。这次发射还搭载了国内外3颗小卫星。同时要指出的是，这是中国长征系列火箭的第248次发射。

伴随着这颗太空望远镜的升空，我国十二五期间的空间战略先导专项画上了完满的句号，可谓是今朝梦圆。（十二五期间的空间战略先导专项首批计划包括4颗星：量子通信卫星、暗物质卫星、实践十号卫星、硬X射线太空望远镜。）

什么是硬X射线

硬X射线在这里并不是指触感坚实或者口感酥脆的X射线，而是波长比较短（也就是能量比较高）的X射线。这就像我们说的吃几个“硬菜”，这个硬并不是指菜不好咬，而是指食材和口味更能够满足吃货的信仰。具体来说，X射线是一种波长在0.01纳米到10纳米之间的电磁波。波长小于0.1纳米的X射线被认定为硬X射线。说起来，细心的你或许已经发现，硬X射线的波长范围（0.01纳米到0.1纳米）已经和一部分伽马射线重叠了。嗯，在细节上只好用射线的辐射来源来区分了：硬X射线来源于高能电子的加速，而伽马射线来自于原子核的衰变。

X射线与天文学

X射线的发现本身就具有重大的科学意义。世界上第一个诺贝尔物理学奖就是颁给了X射线的发现者伦琴博士。

1895年11月8日，伦琴博士在进行阴极射线实验时，偶然发现了在涂有氰亚铂酸钡的屏上发出了微光。此时已经是德国维尔茨堡大学的校长的他经过审慎研究，得出了这是一种尚未被世人所知的新的射线。当周围的人都建议伦琴博士用自己的名字来命名这种射线时，他坚决推辞，并把该射线取名为X，这就是X射线这个名字的来源。威廉·伦琴，这位纺织商人的儿子，这位小时候因为淘气地画老师的漫画而遭到开除的学生，这位治学严谨的博士，这位淡泊名利的校长，把X射线的知识带给了人类。

长期以来，人类用X射线的穿透性来进行医学成像诊断，进行工业制成品的探伤以及进行晶体结构的研究。而1949年的一次导弹试验，彻底打破了X射线的应用局限，开始开创一个崭新的学科：X射线天文学。

第二次世界大战结束，美国和苏联都获取了不少德国的导弹技术以及V-2导弹的实物。1949年9月，美国海军实验室的工程师们把一枚V-2弹道导弹运到了位于新墨西哥州的白沙导弹靶场。这枚V-2弹道导弹并不是用来做军事试验的，而是一次为了科学的探索和尝试。该导弹安装了传说中的盖革计数器。（我们能够在有关核爆炸、太空探索等内容的电影中看工程师拿着的那种可以吱吱叫的探测辐射的仪器。盖革计数器最初是在1908年由德国物理学家汉斯·盖革和著名的英国物理学家卢瑟福在α粒子散射实验中，为了探测 α粒子而设计的。后来在1928年，盖革又和他的学生米勒对其进行了改进。）

这枚带着盖革计数器的V-2导弹发射顺利，她带回来的探测结果更是让人振奋：盖革计数器瞄准了太阳，而计数器探测到了X射线并忠实地做了记录。这是人类首次进行以X射线为测量手段的天文观测，证明了太阳是一个X射线辐射源。

从此，人类知道了用X射线来观测太空是能够得到结果的，从此一发不可收拾，以X射线为观测手段的天文观测新学科就此启航。

美国于1970年发射第一个X射线天文卫星“Uhuru”（自由号），实现人类首次X射線巡天，为人类观测宇宙和了解宇宙打开了一个全新的窗口。（2002年的诺贝尔物理学奖就颁给了这次重大的科学事件。）从1999 年开始，国际上一些X射线空间望远镜陆续升空，大大开拓了人类的视野。如1999 年美国的“钱德拉”X 射线空间望远镜、欧空局同年发射的XMM- 牛顿卫星、2005 年日本发射的“天体-E2”X 射线天文观测卫星、2013 年入轨的美国“原子核光谱望远镜阵列”卫星等等。

中国：X射线天文新担当

X射线天文望远镜为人类观测宇宙开拓了新的视野。以X射线观察宇宙，人类发现宇宙不再像肉眼所见的那样祥和与寂静。黑洞的巨大引力撕碎了临近的恒星，在那惊天动地的过程中，恒星与黑洞爆发了响彻霄汉的嘶吼，穿越数亿光年的距离来到地球附近。不过这个过程非肉眼凡胎可见，目前只能以X射线的形式被相应的探测器感知到。而星系的碰撞与交融、超新星的爆炸与中子星的诞生，这些宇宙中荡气回肠、波澜壮阔的场景，都仰赖X射线天文望远镜来观测。

硬X射线比X射线的能量更高，这是研究黑洞乃至宇宙形成的早期阶段的样貌非常关键的波段。早在上世纪90年代初，美国国家科学研究委员会就把硬X射线成像列为90年代空间高能项目的最高优先级了。然而，20多年过去了，能够实现硬X射线巡天的太空望远镜还没有出现成熟的型号。可以说，这将是添补人类天文观测领域空白的一块重要的拼图。

这块拼图，将由中国的硬X射线太空望远镜来拼上。该星大名为HXMT，昵称为“慧眼”。期待慧眼能够早日识出宇宙中的颗颗明珠。按照中科院高能物理所的官方数据，可以发现：中国这台硬X射线太空望远镜搭载了HE、ME和LE也就是高能、中能和低能3类探测器。

其中，HE也就是高能主要负责20～250 keV的硬X 射线探测任务，是HXMT 的主要载荷之一。该探测器由18 个碘化钠（铊）/ 碘化铯（钠）复合晶体主探测器和准直器组成，主探测器的视场由18个不同栅格取向的准直器来限定。ME也就是中能是HXMT 有效载荷的子系统，探测器采用864 片硅光二极管（Si-PIN）阵列探测器的技术方案，共有1944 个探测器单体，探测面积为952 平方厘米，覆盖能区为5～30keV。LE则选用扫式电荷器件（Swept Charge Device，简称SCD）加准直器的技术方案。LE 的能量覆盖范围应在1～15 keV，探测面积约382 平方厘米，能量分辨率小于等于450 eV，时间分辨率小于等于1毫秒。

国际上，在中国之前，美国、日本等国家发射过X射线太空望远镜，但是这些望远镜有的专注于硬X射线本身而不能巡天，或者有着能够巡天但其观测波段尚未进入硬X射线范围。中国这颗硬X射线太空望远镜则终于结合了硬X射线和巡天这两大特性。endprint

迄今为止人类共观测到了宇宙中70多个硬X射线天体（每一个都是很厉害的，都是名副其实的“前方高能”）。而如果中国硬X射线太空望远镜完成巡天的话，人类发现的硬X射线天体的数量则有望从70多个跃升为上千个。

中国的这个太空望远镜有什么特色呢？总体说来，可以概括为“三高一大一上”。这“三高”分别指：高分辨率、高灵敏度和高定位精度。“一大”指的是巡天观测范围大，真正实现了360°巡天。“一上”指的是这台X射线望远镜上了天，比在地面建设的望远镜有诸多优势。有关分辨率和灵敏度的数据见上面的文字，而这个高定位精度则是搭载硬X射线太空望远镜的卫星平台提供的。

我们在拿手机拍摄景色的时候，会有个体会：手机摄像头的性能是关键因素，而手不要乱抖，拿得稳也是拍出清晰画面的重要保障。搭载硬X射线太空望远镜的卫星就是这个稳稳的手。

中国的硬X射线太空望远镜能够对准惯性空间的一个方向进行三轴稳定观测。得益于卫星上面高性能的陀螺仪和姿态控制系统，这台太空望远镜能够实现对特定天区的“凝视”观测。最是那深情的凝视，即将揭开被宇宙尘埃遮住的巨型黑洞的奥秘。

卫星平台的设计对太空望远镜的成败起着关键作用。我想起了日本的那颗名为“朱雀”的X射线望远镜。那上面的X射线探测器不可谓不先进，灵敏度不可谓不高。为了获得高分辨率，日本工程师不惜代价用液氦来冷却敏感器，以便获得目前人类的科技水平条件下能够获取的最低的温度。结果卫星平台设计的不够好，液氦的消耗速度远超预期，在观测到巨型黑洞后不久，这个探测器就失效了。

2016年，日本又发射了新的X射线太空望遠镜，其探测器的性能更加强大。但是，搭载该探测器的卫星平台的姿态控制系统出了问题。用于姿控系统的代码写错了，当卫星姿态角出现偏差时，姿控系统的推进器开始奋力工作纠偏，结果方向喷反了。卫星非但没有摆正姿态，反而朝误差越来越大的地方转。后来推进器火力全开，卫星整个在太空高速旋转了起来。最终被推进器的巨大推力推动着转得越来越快的卫星无法承受巨大的力量，结构碎裂，在太空中解体。预期寿命10年的卫星只工作了3天。

搭载中国的硬X射线太空望远镜使用了中国航天技术几十年来的技术积累，一定会稳稳的。而且，中国硬X射线太空望远镜不仅仅有定点凝视这一种工作模式，还有另外两个绝活：

卫星一侧指向太阳，望远镜光轴在垂直于太阳矢量的平面内慢旋扫描，旋转速率每一个轨道约360°。这就是让世界上其他国家的天文科学家羡慕的巡天模式；卫星通过慢速扫描完成对特定小天区的深度成像观测，扫描轨迹行间隔0.1°、0.2°、1°可选，可实现10°半锥角天区的全覆盖，扫描速度0.01°/s、0.03°/s、0.06°/s可选。这就是可以灵活应对多种观测任务的小天区扫描观测模式。

期待中国这颗硬X射线太空望远镜早日为全人类绘制出范围最广、分辨率最高的硬X射线巡天图像，为人类的太空探索事业做出重大贡献。

责任编辑：邢强endprint