“中國(guó)哈勃”瞄準(zhǔn)黑洞

載人航天、探月工程和太空行走已經(jīng)陸續(xù)成功，中國(guó)已經(jīng)成為了空間技術(shù)的大國(guó)。但是在空間望遠(yuǎn)鏡方面，似乎還是一個(gè)空白。其實(shí)，中國(guó)科學(xué)家們已經(jīng)為空間望遠(yuǎn)鏡持續(xù)努力了十多年，正爭(zhēng)取讓它在幾年之內(nèi)升上太空。

在北京高能所粒子天體物理中心，記者見(jiàn)到了中國(guó)首臺(tái)空間望遠(yuǎn)鏡的樣機(jī)。這臺(tái)一人多高的白色圓柱形儀器，安放在一個(gè)籃球場(chǎng)大小的房間里。儀器上面鑲嵌著18 個(gè)圓孔，看起來(lái)有點(diǎn)像巨型的蜂窩煤。它被媒體稱作“中國(guó)的哈勃”，正式名稱是“硬X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”(HXMT)，可能在兩三年內(nèi)發(fā)射進(jìn)入太空。HXMT 和位于河北興隆的世界最大施密特望遠(yuǎn)鏡LAMOST、貴州平塘的世界最大口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST，并稱為中國(guó)三大望遠(yuǎn)鏡工程。HXMT 總耗資約10 億人民幣，超過(guò)另外兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之和。國(guó)際天文學(xué)界對(duì)它抱著熱烈的期待，但是HXMT 在國(guó)內(nèi)卻一直保持低調(diào)，甚至看不到一篇詳細(xì)的報(bào)道。這個(gè)神秘的空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)向人類揭示哪些宇宙的奧秘?它的進(jìn)展如何了?

用X 射線的眼睛看黑洞

HXMT 看起來(lái)似乎不像我們所熟悉的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榭床坏綕崈舻姆瓷溏R面?！斑@18 個(gè)圓孔探測(cè)器就是HXMT 的‘鏡頭’，它們觀測(cè)的是硬X 射線，也就是能量較高的X 射線?！备吣芩Ｗ犹祗w物理中心研究員盧方軍指著“蜂窩煤”上的小孔說(shuō)，“硬X 射線是研究黑洞周圍時(shí)間、空間和物質(zhì)的關(guān)鍵?！?/p>

黑洞是HXMT 的主要探測(cè)目標(biāo)。黑洞并不發(fā)光，但是被黑洞吸進(jìn)去的物質(zhì)就像掉到地球上的流星一樣會(huì)發(fā)光。流星物質(zhì)由于摩擦發(fā)熱燃燒，溫度會(huì)高達(dá)幾千攝氏度，而黑洞強(qiáng)大引力所吸積的物質(zhì)，落到黑洞附近時(shí)溫度高達(dá)數(shù)千萬(wàn)攝氏度，發(fā)射的光線能量極高，是人眼看不見(jiàn)的高能X 射線。和機(jī)場(chǎng)安檢的儀器一樣，硬X 射線有較強(qiáng)的穿透力。很多黑洞被吸積的塵埃包圍，普通的X 射線都無(wú)法穿透，只有高能量的硬X 射線才能被我們接收到。

“但是困難在于，X 射線是無(wú)法貫穿大氣的。所以HXMT 必須發(fā)射到太空中?！北R方軍說(shuō)。也正是這個(gè)原因，X 射線天文學(xué)的先驅(qū)們的路異常艱難。即使在美國(guó)，要發(fā)射衛(wèi)星也必須得說(shuō)服政府官員，而不是幾個(gè)大學(xué)教授就能決定的。最初的探測(cè)工作只有用高空氣球和探空火箭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)知道了太空中有比太陽(yáng)亮上億倍的X 射線源，但是不能確定它的準(zhǔn)確方位。直到1970 年發(fā)射了自由號(hào)(Uhuru)衛(wèi)星，第一臺(tái)真正意義上的X 射線空間望遠(yuǎn)鏡，才發(fā)現(xiàn)了第一顆“疑似”黑洞的天體。著名的天鵝座X - 1，它被認(rèn)為是由一顆20~40 倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨星，和一顆8.7 倍太陽(yáng)質(zhì)量的致密星組成，后者被認(rèn)為是一顆黑洞，正在從巨星上吸收質(zhì)量而發(fā)射出X 射線。

在此之前，黑洞不過(guò)被看作廣義相對(duì)論里的數(shù)學(xué)游戲而已，X 射線天文學(xué)讓人們“看見(jiàn)”了黑洞。此后又有十多顆更強(qiáng)大的X 射線空間望遠(yuǎn)鏡上天，如美國(guó)1978年的愛(ài)因斯坦衛(wèi)星、1999 年的錢(qián)德拉X 射線空間天文臺(tái)，以及歐空局同年發(fā)射的XMM- 牛頓衛(wèi)星等等，它們除了發(fā)現(xiàn)上千個(gè)疑似黑洞天體，還發(fā)現(xiàn)一些劇烈活動(dòng)的星系核中，很可能隱藏著質(zhì)量巨大的黑洞，從一些黑洞中有接近光速噴出的噴流。2005 年錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)一個(gè)黑洞正在爆發(fā)，它吞噬的質(zhì)量相當(dāng)于3 億個(gè)太陽(yáng)。這些X 射線空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的主要是軟X 射線，而HXMT 主要工作于20keV 以上的硬X 射線能區(qū)，和以往的同類X 射線空間望遠(yuǎn)鏡相比，它具有顯著的優(yōu)越性。

物美價(jià)廉的HXMT

“HXMT 既能對(duì)全天區(qū)進(jìn)行掃描成像，又可以對(duì)特定宇宙天體進(jìn)行細(xì)致的定向觀測(cè)，所以有美國(guó)的天體物理學(xué)家認(rèn)為，HXMT 會(huì)是2010 年前后這段時(shí)期中獨(dú)一無(wú)二的硬X 射線望遠(yuǎn)鏡?！弊钤缣岢鯤XMT 項(xiàng)目的李惕碚院士向記者介紹。由于資金問(wèn)題，中國(guó)在實(shí)測(cè)天文學(xué)方面一直落后，但是HXMT使用中國(guó)自己的直接解調(diào)成像方法，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)成熟而便宜的探測(cè)裝置。X 射線穿透力很強(qiáng)，難以聚焦成像，人們想出了編碼孔徑成像的辦法，但是其裝置非常昂貴，成像的分辨率也不高。1992 年，李惕碚和吳枚提出了硬X 射線直接解調(diào)成像方法，通過(guò)直接解觀測(cè)方程，充分利用觀測(cè)獲得的信息，實(shí)現(xiàn)高分辨成像。

在高空氣球?qū)嶒?yàn)中，直接解調(diào)方法獲得了成功。1993 年9 月25 日，高能所粒子天體物理中心用高空氣球搭載HXMT 的球載試驗(yàn)樣機(jī)“HAPI-4 望遠(yuǎn)鏡”升至36~38 千米高空，進(jìn)行約1 小時(shí)掃描觀測(cè)。巧合的是，就在5 天前，美國(guó)加州理工也用昂貴的編碼孔徑成像方法做了同樣的試驗(yàn)，探測(cè)時(shí)間也約1小時(shí)。結(jié)果兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡都實(shí)現(xiàn)了對(duì)天鵝座X - 1 的高分辨成像，而HAPI-4 的成像質(zhì)量?jī)?yōu)于大型編碼孔徑成像望遠(yuǎn)鏡。可惜的是，直接解調(diào)成像方法價(jià)廉物美得讓人難以相信。“主要問(wèn)題是作為核心的方法有待確認(rèn)?！?這是1994 年，HXMT 申請(qǐng)“九五計(jì)劃”立項(xiàng)未通過(guò)時(shí)評(píng)審組下的結(jié)論。

為了消除對(duì)新方法的懷疑，李惕碚院士的團(tuán)組用了多年時(shí)間。除了論證直接解調(diào)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還用它重新分析了許多國(guó)外高能天文衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，取得了不少新成果。盧方軍就曾用直接解調(diào)方法處理德國(guó)倫琴衛(wèi)星(ROSAT)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了超新星遺跡G54.1+0.3 存在X 射線噴流，隨后申請(qǐng)到美國(guó)錢(qián)德拉X 射線天文臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了“牛眼脈沖星”，被國(guó)際媒體廣泛報(bào)道。2000 年，HXMT 預(yù)研終于列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目，獲得第一筆經(jīng)費(fèi)，這就是我們面前的HXMT 地面樣機(jī)的來(lái)歷。

中國(guó)空間天文何時(shí)上路

按照預(yù)期，HXMT 將在2010 或2011 年發(fā)射，是否一切準(zhǔn)備就緒了呢?“HXMT 很可能無(wú)法按時(shí)發(fā)射。”盧方軍遺憾地說(shuō)。“HXMT 上天之前還有很多試驗(yàn)要做。至少需要做4 臺(tái)樣機(jī)，其中三臺(tái)是用來(lái)做電性能、結(jié)構(gòu)熱控和空間環(huán)境適應(yīng)能力試驗(yàn)，最后一臺(tái)才是正式上天的?！?/p>

有了973 項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)， 在2005 年建成了HXMT 第一臺(tái)樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果也不錯(cuò)。但是后續(xù)的資金沒(méi)有到位，無(wú)法繼續(xù)做下一臺(tái)樣機(jī)，研究人員們還在做HXMT 的各種試驗(yàn)，以進(jìn)一步提高HXMT 的性能和工程可靠性。“不過(guò)這也正常，美國(guó)也經(jīng)常推遲發(fā)射，因?yàn)椴豢深A(yù)料的事情太多了。”盧方軍仍然很樂(lè)觀。

中國(guó)雖然在航天領(lǐng)域多數(shù)項(xiàng)目上領(lǐng)先亞洲，但是仍然沒(méi)有發(fā)射過(guò)空間望遠(yuǎn)鏡。從上世紀(jì)至今，國(guó)際上已發(fā)射的天文衛(wèi)星有100 多顆，覆蓋的能量范圍從微波直到高能γ 射線，取得了大量的觀測(cè)研究成果，中國(guó)的空間天文卻仍然是空白。所以有一種說(shuō)法:發(fā)展中國(guó)家重視空間技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家重視空間科學(xué)。令人寬慰的是，2007 年10 月，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)發(fā)布的《航天發(fā)展“十一五”規(guī)劃》已經(jīng)明確了要“優(yōu)先支持面向重大科學(xué)問(wèn)題的自主創(chuàng)新項(xiàng)目，研制硬X 射線望遠(yuǎn)鏡”。

在HXMT 緩慢行進(jìn)的同時(shí)，NASA 已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施雄心勃勃的“超越愛(ài)因斯坦計(jì)劃”，為了探索大爆炸、黑洞和暗能量，尋求物理科學(xué)的新突破，計(jì)劃發(fā)射一系列天文衛(wèi)星，其中包括新一代的“星座”X 射線望遠(yuǎn)鏡(HTXS)，以及“黑洞發(fā)現(xiàn)者”X 射線探測(cè)器(BHFP)，它們的功能將空前強(qiáng)大，但是發(fā)射日期還定在2016 年之后。HXMT 如果能夠趕在它們之前發(fā)射，中國(guó)仍然有很好的機(jī)會(huì)取得領(lǐng)先的重大科學(xué)成果?！暗侨绻貌坏截?cái)政支持繼續(xù)拖延下去，就會(huì)在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中喪失時(shí)機(jī)，而成為一個(gè)罕見(jiàn)的反面事例:一個(gè)國(guó)家在長(zhǎng)達(dá)15~20 年的時(shí)間里都抓不住自主創(chuàng)新所提供的科學(xué)機(jī)遇。當(dāng)然，提供反面的教訓(xùn)也是貢獻(xiàn)吧!”李惕碚院士有些無(wú)奈地苦笑著說(shuō)。

●X 射線望遠(yuǎn)鏡的成像方法

掠射成像:與金屬表面幾乎平行的X 射線會(huì)被反射，就像打水漂時(shí)石塊會(huì)在水面反彈一樣，可以用一系列小角度反射鏡讓掠射X 射線聚焦成像。但是對(duì)高能量的硬X 射線實(shí)現(xiàn)掠射成像非常困難。

編碼孔徑成像技術(shù):在一個(gè)刻有小孔花紋的編碼版上，根據(jù)不同方向硬X 射線源的“影子”推導(dǎo)出射線源方位，就像根據(jù)多個(gè)路燈下影子的形狀來(lái)推斷路燈的位置。

直接解調(diào)成像:它只需要一個(gè)準(zhǔn)直器來(lái)限制探測(cè)器的視場(chǎng)，通過(guò)掃描獲取數(shù)據(jù)，然后直接解觀測(cè)方程來(lái)還原X 射線強(qiáng)度的空間分布，可以盡可能少的丟失信息。