“慧眼”观天识“英雄”

文/戴铭珏

多面手“慧眼”

2017 年6 月15 日，我国第一颗X 射线天文卫星被发射上天，运行在550 千米的近地圆轨道上。它就是“慧眼”卫星，全称为“硬X 射线调制望远镜卫星”（简称HXMT）。从此，“慧眼”卫星开始凝视暗黑的星空，不为眺望点点繁星，而是为了探测人类肉眼看不到的X 射线。

随着人类探索的深入，天文学的研究早已不再局限于传统的可见光波段，而进入了能够对电磁波全波段进行观测的全波天文学时代。电磁波的全波段不仅包括可见光、射电波、红外线、紫外线，还有高能量的X 射线和伽马射线等。近几年，这些高能量的电磁波在许多激烈的天体活动中被发现，成为目前研究的重点。可以说，高能天文学的观测时代来临了，“慧眼”就是这个时代中为了观测X 射线的产物。

要想观察到X 射线，首先X 射线必须聚焦成像。光遇到镜盘会发生反射并聚焦，但是，X 射线能量极大，能够穿透镜盘不产生反射，因而无法聚焦。要想让X射线聚焦成像，就需要以很低的角度掠射到镜盘。就像是一个球，当从侧面打到墙壁上的时候，就会弹射到墙的另一面，这也就实现了聚焦。所以，X 射线望远镜被称为“掠射望远镜”。

按照这种原理设计的X 射线望远镜，拥有一个看似奇怪的外观：很多根非常细的管子指向太空。当X 射线进入管子的时候，会击打在管壁上，碰撞后再反射，最后都掠射到镜面上，从而在镜面上聚焦成像。

“慧眼”并不是X 射线望远镜，而是包括3 组X 射线望远镜的X 射线卫星。这3 组X 射线望远镜分别接收低、中、高三种能量的不同射线。其中，高能X 射线望远镜负责接收20 千电子伏特以上的X 射线，低能X 射线望远镜负责接收能量在10 千电子伏特以下的X 射线。所以，“慧眼”同时具有3 种能力，虽然这些功能都不强大，却是个多面手。

“慧眼”识“英雄”

宇宙中的恒星都能够发出光和热，是一个个巨大的核反应堆。但是，它们会走向垂暮，走向死亡。当氢元素消耗完，整个恒星就不能继续燃烧，于是，一场超新星爆发就会让它改头换面，成为白矮星、中子星或者黑洞，这些都是致密的恒星。

致密的恒星不仅密度高，而且还具有超级强悍的磁场。强悍的磁场会产生高能宇宙射线，这些高能宇宙射线要比光子携带的能量高得多。

恒星活着的时候光芒万丈，像是个英勇的武士，消亡之后则成为不死的英雄，“慧眼”卫星就专门研究这种“英雄”。“慧眼”开启搜寻模式，就可以寻找能发出X 射线的天区，分辨其中谁最强大。

2020 年8 月，“慧眼”卫星把观测目标对准了脉冲星GRO J008-57，采用直接测量的方法测得该脉冲星表面磁场强度为10 亿特斯拉。这是非常可靠的数据，也是当时人类已知的最强磁场。脉冲星就是能从两极发射电磁波的中子星，它的磁场极强。磁场是看不到的，但它确实存在。当把一根电流强度是1 安培的导线放到磁场周围的时候，磁场对它产生作用，如果这个作用力是1 牛顿，那么磁场的强度就被称为“1 特斯拉”。 10 亿特斯拉的磁场强度，大小已经超出了我们的理解。如果将导线放在这个磁场中，那么导线肯定被拧成了麻花，或者不复存在。

尽管国外的X 射线观测设备很多，来自太空射电辐射的信息也很多，但并没有打破“慧眼”卫星的观测纪录，打破纪录的还是它自己。2022 年7 月，“慧眼”又把目标对准了Swift J0243.6+6124 中子星。这不是普通的中子星，而是双中子星。“慧眼”卫星的观测表明，该中子星的能量非常高，高达146 千电子伏特的回旋吸收线，对应的磁场超过16 亿特斯拉，这是目前已经知道的宇宙中最强的磁场。Swift J0243.6+6124 是双中子星，两颗中子星之间有着吸积盘，“慧眼”卫星测量的可能是中子星附近吸积盘的磁场。

以前，天文学家发现过一类特殊的中子星，它们在银河系之外，其中的X 射线具有超常亮度。虽然科学家一直怀疑那里存在超强的磁场，但并没有直接的测量证据。这种猜测被“慧眼”卫星证实了，找到了真正的“英雄”。

“慧眼”望八方

由于地球大气层的干扰，X 射线不能在地面被接收，一般都要把望远镜送上太空，难度较高，所以，X射线望远镜诞生的历史仅有几十年。1962 年，美国发射了一枚探空火箭，它携带的探测器发现了第一个宇宙射线源：天蝎座。此后，X 射线天文学诞生了。近十几年来，大量高能物理现象被发现，进一步激发了人们研制X 射线望远镜的热情。由于X射线具有极强的穿透性，能成像的X射线望远镜难以被设计制造出来。这其中最强大的是美国的钱德拉X 射线太空望远镜，它拍摄的天体X 射线照片几乎可以与光学望远镜拍摄的照片相媲美。

我国的X 射线望远镜起步仅有十几年，虽然X 射线成像拍摄照片的能力远远不够，但它还是有很多自己独到的优势。首先，我国的X 射线望远镜的能区宽，能量从高到低都可以观测到。其次，它的观测面宽，能够实现快速巡天。“慧眼”卫星在太空中可以随意把视线转向任意方向，四面八方都不受阻挡，迄今已经取得了很多成绩。

2017 年8 月17 日，这 是 人 类首次发现引力波的时间。当时“慧眼”卫星刚发射成功不久，还处在测试的实习期，但它幸运地监测到了全球首个双中子星合并撞击的引力波事件，并且对辐射性质作出了合理的判断。

“慧眼”在预测的时间内，不仅观察到了射电暴，而且给予了准确的定位

快速射电暴是近几年发现的一种奇怪现象。这种现象是指天空中会突然出现X 射线，停留仅仅1 秒钟，就无声无息地消失了。无人知道它从哪里来，也没人知道它还会不会再次出现。近两年，人们发现有重复出现的射电暴，并且可以预测下一次爆发的时间。“慧眼”在预测的时间内，不仅观察到了射电暴，而且给予了准确的定位。这个定位让人们知道，快速射电暴FRB 200428 来源于磁星SGR J1935+2154。快速射电暴是磁星爆发产生的，这一发现成了2020年公认的十大科学成就之一。

『慧眼』并不是X射线望远镜，而是包括3组X射线望远镜的X射线卫星

“慧眼”卫星还发现了距离黑洞最近的相对论喷流。在一对黑洞双星中，有一些等离子正在高速逃离黑洞的引力场，这也被“慧眼”观测到了。而且，“慧眼”还第一次在黑洞双星中观测到冕的演化。

除此之外，“慧眼”开展了X射线脉冲星导航实验，定位精度达到10 千米之内，为未来的星际航行提供了导航的基础。

借助“慧眼”的一项项观测成果，我国相关的科研人员总共发表论文120 多篇，涉及引力波、伽马暴、快速射电暴、黑洞和中子星等多个方面，“慧眼”卫星在高能天体物理学方面作出了重要的贡献。

虽然“慧眼”的设计寿命只有4年，2022 年6 月15 日，它已经度过了5 周岁的生日，但是目前它的各项性能依旧良好，科学家们希望它能晚些退役，并再立新功。