慧眼寻“它”千百度——记“慧眼”探索极端宇宙5 周年

李小波（中国科学院高能物理研究所）

1 “慧眼”的诞生

“慧眼”硬X 射线调制望远镜（HXMT）是我国第一颗X 射线天文卫星，它既可以开展宽波段、大视场X 射线巡天，又能够定点观测黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和能谱，同时具备对γ 射线暴全天监视的能力。那么，这样一双观天“慧眼”是如何炼成的呢？

HXMT 从概念提出到研制成功前后历时24 年，其设计思想源于我国学者李惕碚院士和吴枚研究员原创性的“调制解调成像方法”。在几代人的接续努力下，HXMT 卫星于2017 年6 月15 日在酒泉卫星发射中心成功发射。将其命名为“慧眼”，不仅体现“慧眼”观测运行的特点，也是为了纪念为我国高能天体物理发展作出杰出贡献的物理学家何泽慧先生。“慧眼”的成功发射和运行，实现了我国空间X 射线天文卫星“零”的突破，结束了我国高能天文研究长期依赖国外数据的历史。

1962 年6 月18 日，天文学家贾科尼等用携带盖革计数器的探空火箭在天蝎座方向发现了X 射线辐射，这是人类第一次探测到源于太阳系外天体的X射线，标志着X 射线天文学的诞生。自20 世纪70年代末利用高空气球观测硬X 射线开始，我国的X射线天文学经一系列任务的磨练，也迎来了大发展时期。值此X 射线天文学60 周年之际，更是“慧眼”遨游太空5 周年之时，我们将重点介绍“慧眼”是如何开启对极端天体和极端物理过程的探索，以及所取得的重要科学成果。

2 “慧眼”眼观三路的能力

在介绍“慧眼”的科学成果之前，我们先简要了解使“慧眼”具备“眼观三路，耳听八方”能力的载荷和科学应用系统。

“慧眼”的科学目标可概括为以下3 个方面：一是对银道面进行小天区扫描，发现新的高能变源和已知天体的新活动；二是对黑洞和中子星进行高频次和高统计量监测，理解黑洞和中子星的活动和演化机制；三是利用其扩展到MeV 能段的探测能力，研究γ 射线暴及其他爆发现象。

“慧眼”上搭载了3 个主要科学载荷：高能X射线望远镜（HE，20～250keV，5100cm）,中能X 射线望远镜（ME，8～35keV，952cm）和低能X 射线望远镜（LE，1～10keV，384cm）。这样的探测器配置使“慧眼”具有宽的X 射线探测能区、硬X 射线能区的大面积、高时间和高能量分辨率、探测死时间小、在软X 射线能区无光子堆积效应等优点。这使得“慧眼”具有独特的研究天体多能段X射线快速光变的能力，可以探索比以往更靠近黑洞视界或中子星表面的区域，开启了研究黑洞、中子星快速光变和能谱特性的新窗口。

“慧眼”是一个面向国际天文界的开放观测平台，它的日常运行和管理由“慧眼”科学应用系统负责。科学应用系统全面支持了“慧眼”的多目标、多模式、多约束的观测需求，提供了观测任务的高效规划、科学数据产品的标准化生产及发布、有效载荷的标定、空间本底模型的构建、用户数据分析专用软件的维护更新等服务，是科学产出的有力保障。目前已面向国内外科学用户公开征集5 轮观测提案，累积收到约240 份提案申请，发布约25TB 的数据产品，为国外12 家研究机构，国内30 多个高校和研究所的500 多位研究人员提供了观测和数据服务。通过国内外用户使用的多种分析工具的兼容性检验以及与其他卫星数据处理结果的交叉比对，验证了“慧眼”数据产品和用户数据分析软件的可靠性和正确性。基于这些数据和软件，研究人员取得了多项原创和有显示度的成果：参与监测了首个双中子星并合引力波事件（GW170817）的电磁对应体，对该引力波事件在MeV 能段的辐射给出了最严格的限制；直接探测到宇宙最强磁场；发现了黑洞双星系统的最高能量的准周期振荡；首次证认快速射电暴的磁陀星来源；完成了世界上最高精度的脉冲星导航试验。

3 五年观天路，硕果累累

“慧眼”对极端宇宙的探索，主要体现在对极端爆发的监测和探测，对黑洞视界附近最强引力场的探测和对中子星表面最强磁场的探测。下面将对这些代表性的科学成果进行一一介绍。

中国X 射线天文发展大事记

极端爆发——追逐宇宙中最灿烂的烟花

引力波的直接探测获得了2017 年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的作用。2017 年8月17 日，“慧眼”成功监测到全球第一例双中子星并合事件GW170817 所在天区。在这次天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测中，HXMT 卫星是全球4 个在X 射线和γ 射线波段完整监测引力波以及γ 暴的望远镜之一，在200keV～5MeV 能段对该引力波电磁对应体的流量给出了最强限制。“慧眼”第一时间通过γ 暴协调观测网络（GCN）发布了观测结果。由于对引力波事件在MeV 能段的辐射给出了最严格的限制，排除了引力波的一些模型，使得“慧眼”团队的工作获得国际认可，该结果也被纳入了国际多波段、多信使研究引力波的文章。本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了多信使引力波天文学时代。

“快速射电暴”（FRB）是一种持续时间在毫秒量级的宇宙射电暴发现象。这种来自深空的神秘、强大、快速的信号长期困扰着世界各地的天文学家。虽然科学家猜测这类现象的多种可能性，但因为这些暴发非常短暂，很难确定这些事件的性质，甚至有人猜测是外星人发出的信号。2020 年4 月28 日，“慧眼”探测到一个X 射线暴发，与快速射电暴FRB200428 在时间上精准一致，这是第一次探测到快速射电暴的高能对应体，利用其独特的准直器设计，“慧眼”以远高于射电望远镜的精度将其定位到银河系内的磁陀星SGR J1935+2154，从而首次证认了快速射电暴的磁陀星起源，为快速射电暴的辐射机制和磁陀星的暴发机制研究提供了至关重要的线索。对“慧眼”数据的进一步分析还发现，该X 射线暴的主暴部分存在一个显著性为3.4σ，中心频率为40Hz 的准周期振荡信号，有效限制了中子星模型。

极端引力——与黑洞共舞

2018 年3 月，距地球大约1.13 万光年处的黑洞X 射线双星MAXI J1820+070 发生爆发，而且在相当长一段时间里是天空中超亮的X 射线源之一，“慧眼”随即对这个天体的爆发进行了140 多次的观测。在高于200keV 以上的能段发现这个黑洞双星系统中的准周期振荡（QPO），这是迄今为止发现的能量最高的低频QPO 现象。

“慧眼”将FRB200428 定位（白色等高线代表“慧眼”定位的1σ，2σ，3σ 区域）到磁陀星SGR J1935+2154 方向（红色十字架），红圈和蓝点代表国外的两个射电望远镜的定位区域（95%的置信区间）

低频QPO 发现于20 世纪80 年代，它在黑洞双星中普遍存在。关于它的物理起源一直存在争议，有些科学家认为，当伴星的物质被黑洞吸引，在旋转落向黑洞的过程中会形成吸积盘，而在这个过程中，吸积盘上可能会出现一些不稳定性，引起X 射线辐射发生类似周期性的调制，产生低频QPO。另一些科学家则认为黑洞附近的等离子体进动也可产生类似的周期调制。“慧眼”观测到的QPO 高达200keV，将QPO 产生的源头直接定位到黑洞视界附近的相对论喷流（向外高速运动的等离子体流）的进动。“慧眼”的观测结果为解决一直以来存在争议的低频QPO 物理起源问题提供了重要依据，这也是迄今观测到的距离黑洞最近的相对论喷流。

“ 慧眼” 获得的黑洞X 射线双星MAXI J1820+070 的能谱数据还表明，该系统中还存在逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流。进一步的研究发现，等离子体流存在显著的速度演化，当等离子体流趋向黑洞收缩的同时，也以相对论速度向外运动，而且等离子体流的尺度越小，速度越大。这项成果为研究黑洞吸积过程提供了重要依据。

MAXI J1820+070 小尺度的喷流进动模型示意图

极端磁场——16 亿特斯拉

中子星是宇宙中具有最强磁场的天体。中子星X 射线双星系统由中子星与其伴随恒星组成，伴随恒星的气体在引力作用下落向中子星，形成围绕中子星高速转动的气体盘，称为吸积盘。如果磁场较强，吸积盘上的等离子体将沿着磁力线落到中子星表面，并发出强烈的X 射线辐射。由于中子星的转动，X射线发射区随之旋转，形成周期性的X 射线脉冲信号，因此这类天体也被称为“X 射线吸积脉冲星”。大量观测发现，这一类天体在X 射线辐射能谱上会出现“凹陷”结构，理论认为这是电子在磁场中回旋共振散射造成的，因此被称为回旋吸收线，吸收线处的能量对应着磁场强度，利用该现象可以直接测量中子星表面附近的磁场强度。

MAXI J1820+070 爆发期间喷流内部的物质外流加速的现象

2017 年8 月，“慧眼”对X 射线吸积脉冲星GRO J1008－ 57 的一次爆发活动进行了详细观测，首次在X 射线能谱中以高于20σ 的显著性，在90keV 附近发现了一条回旋吸收线。该回旋吸收线对应的中子星表面磁场强度高达10 亿特斯拉，比实验室中能够产生的几十特斯拉的最强磁场高了几千万倍。这是“慧眼”首次高精度直接测量到宇宙中的最强磁场。

2020 年12 月，“慧眼”刷新中子星回旋吸收线能量的世界纪录，在1A 0535+262 双星系统中，以超过10σ 显著性在100keV 处发现第一谐频回旋吸收线。

2022 年6 月，“慧眼”再次刷新回旋吸收线能量以及宇宙最强磁场直接测量纪录。“慧眼”以6～18σ 显著性在146keV 附近探测到脉冲星Swift J0243.6+6124 的基频回旋吸收线，创出新的最高能量世界纪录，对应中子星表面16 亿特斯拉磁场。

脉冲星导航——星际旅行不再迷航

X 射线脉冲星导航是一种新型的自主导航方法，它利用宇宙中遥远的天体——脉冲星发出的精确的周期性脉冲信号为太空中的航天器提供导航和授时服务。脉冲星是一类高速转动的中子星，其脉冲信号的长期时间稳定度很高，堪比甚至优于地球上的原子钟，可作为宇宙中的时间基准，因此脉冲星也被称作“宇宙灯塔”或星际旅行中的“天然GPS 卫星”。如同地面使用卫星信号进行导航一样，航天器通过观测脉冲星，也可以实现自主导航，即脉冲星导航。

利用“慧眼”的X 射线望远镜数据成功开展了X 射线脉冲星导航实验；综合利用“慧眼”上的高、中、低能X 射线望远镜对蟹状星云脉冲星持续5 天的定点观测数据，定位精度可达到10km（3 倍标准偏差），与“国际空间站”（ISS）上美国同类实验精度相当，进一步验证了航天器利用脉冲星自主导航的可行性，为未来在深空的实际应用奠定了基础。

Swift J0243.6+6124 在146keV 处发现“凹陷”结构（对应中子星表面16 亿特斯拉的磁场）

基于“慧眼”数据取得的原创科学成果，得到了党和国家的高度肯定。习近平主席在2018 年的新年贺词中将“慧眼卫星遨游太空”列为了2017 年我国标志性科技创新成果的第一条。在2021 年“科技三会”上，习近平总书记将“慧眼号直接测量到迄今宇宙最强磁场”列为“基础研究和原始创新取得重要进展”之一。

4 任重而道远

1970 年,美国发射了第一颗X 射线天文卫星，时隔近50 年后，我国发射了第一颗空间X 射线天文望远镜，和国外已有近百颗天文卫星相比，我们在该领域起步较晚，但“慧眼”仍凭借其独特的优势，开启了黑洞和中子星研究的新窗口。

宇宙的各种极端爆发现象，黑洞和中子星等高能天体的行为和性质，是非常吸引人的自然奥秘，它们同时又提供了地球上无法实现的极端物理环境，为基本物理规律的检验和发展创造了条件。因此，对极端宇宙的探索是天文学和物理学共同的前沿问题。美国21 世纪20 年代天文10 年规划继续把X 射线天文作为优先发展领域之一，推荐尽快补上近期可能会停止运行的空间X 射线天文卫星，表明这一领域是国际竞争异常激烈的热点领域。

在“慧眼”成功研制和运行的基础上，我们也将踏上新的征途，打造以探索极端磁场、极端引力、极端密度为核心科学目标的增强型X 射线时变与偏振空间天文台（eXTP）。作为“慧眼”的继任者，eXTP 将利用宇宙极端条件的天然实验室，以前所未有的精度对重要的基础物理理论进行检验，并可能带来对现有理论框架的突破，为回答“黑洞附近会发生什么，中子星内部是什么结构以及由什么物质组成，强磁场中的真空涨落具有什么性质”等重大科学问题作出突破性贡献。