中國(guó)首顆x射線天文衛(wèi)星征程

王剛

“慧眼”望遠(yuǎn)鏡將被用于巡視銀河系中的X射線源，詳細(xì)研究黑洞和脈沖星，并監(jiān)測(cè)伽馬射線暴，探索利用脈沖星為航天器導(dǎo)航，發(fā)現(xiàn)新天體或已知天體的新活動(dòng)

望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)，讓人類(lèi)的目力所及，從銀河系拓展到更遠(yuǎn)的其他星系。天文學(xué)家對(duì)望遠(yuǎn)鏡的追求，也再?zèng)]停止過(guò)——要更強(qiáng)、更大、更清晰，還要繞開(kāi)大氣層的阻礙，架進(jìn)太空。于是，有了FAST，有了哈勃，有了剛剛睜開(kāi)的“慧眼”。

2017年6月15日上午11點(diǎn)，中國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，成功發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）“慧眼”?？茖W(xué)家們希望它是觀察宇宙的一只“慧眼”，同時(shí)也為紀(jì)念高能物理領(lǐng)域內(nèi)的杰出女科學(xué)家何澤慧。6月16日，“慧眼”就成功把第一批數(shù)據(jù)傳送回來(lái)，經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

從外形和體格來(lái)看，“慧眼”衛(wèi)星并不算大，只有2500千克。不過(guò)從工程和技術(shù)指標(biāo)上講，這顆衛(wèi)星在同類(lèi)衛(wèi)星中優(yōu)勢(shì)非常明顯，其功能、性能非常強(qiáng)，可對(duì)宇宙天體高能事件實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、大范圍觀測(cè)。不同于鏡面望遠(yuǎn)鏡受制于其面積和視場(chǎng)，在巡天過(guò)程中，“慧眼”探測(cè)面積更大、探測(cè)到的信號(hào)更多、效率也更高。要想了解這顆新型衛(wèi)星，就必須先熟悉兩個(gè)概念：“硬X射線”和“調(diào)制”。

看不見(jiàn)的宇宙

“硬X射線”是X射線的一種。對(duì)X射線，我們是熟悉的，在醫(yī)院拍攝透視片，在各類(lèi)安檢中，都接觸過(guò)它。超新星爆發(fā)之后的殘骸可能是中子星，也可能是黑洞。銀河系里就有為數(shù)眾多的中子星和黑洞。它們有的根本不會(huì)發(fā)出可見(jiàn)光，有的被厚厚的塵埃所遮擋。普通的可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡都看不到它們的影子，需要用X射線觀察才能發(fā)現(xiàn)。所以，發(fā)射望遠(yuǎn)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(guó)科學(xué)家競(jìng)相追逐的目標(biāo)。

當(dāng)我們把一臺(tái)普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)X射線天體的時(shí)候，X射線不會(huì)像可見(jiàn)光那樣在鏡面上發(fā)生反射或折射，而會(huì)像一粒?！芭趶棥贝蜻M(jìn)水塘里一樣，被吸收了。因此，使用普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也就無(wú)法獲得天體的X射線圖像。能量越高，“炮彈”的速度就越快，X射線也就越“硬”。按照傳統(tǒng)劃分，能量在20千電子伏（keV）以上的X射線，就被稱為硬X射線；能量在10 keV以下的，就被稱為軟X射線。

人類(lèi)第一個(gè)X射線天文衛(wèi)星叫“烏呼魯”（Uhuru），是在美國(guó)科學(xué)家里卡爾多·賈科尼（Riccardo Giacconi）領(lǐng)導(dǎo)下于1970年在肯尼亞發(fā)射升空，在約3年的運(yùn)行時(shí)間里，確定了350個(gè)X射線源，包括X射線雙星、超新星遺跡、星系團(tuán)、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(xiàn)而被授予2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

調(diào)解成像的優(yōu)勢(shì)

“慧眼”衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命4年，呈立方體構(gòu)型，在距離地面550公里的軌道上運(yùn)行?！盎垩邸睌y帶了高能、中能和低能三種望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器，實(shí)現(xiàn)X射線探測(cè)全覆蓋，可觀測(cè)1-250keV能量范圍的X射線和200keV-3MeV能量范圍的伽瑪射線。其主要載荷為18個(gè)復(fù)合晶體探測(cè)器，這些探測(cè)器也正是“慧眼”的眼睛。

“慧眼”衛(wèi)星采用直接解調(diào)成像方法，通過(guò)掃描觀測(cè)可以完成寬波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線成像，具有復(fù)雜的熱控保障、對(duì)地測(cè)控與數(shù)傳保障，以及載荷長(zhǎng)期工作下的能源保障能力。與復(fù)雜、昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比，直接解調(diào)方法具有簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。

由于更充分地利用了數(shù)據(jù)中有關(guān)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)x器的信息，同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)“直接解調(diào)”方法可以得到比傳統(tǒng)方法好得多的反演結(jié)果，分辨率高，同時(shí)噪音干擾被有效抑制，背景異常干凈，可以極大提高探測(cè)定位的精度。

“慧眼”的主要工作任務(wù)

“慧眼”衛(wèi)星是繼中歐合作地球空間探測(cè)雙星，“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星和“墨子”號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之后，中國(guó)又一顆重要的空間科學(xué)衛(wèi)星。

“慧眼”主要工作包括巡天觀測(cè)、定點(diǎn)觀測(cè)和小天區(qū)掃描。具體來(lái)說(shuō)，“慧眼”將開(kāi)展四方面的空間探測(cè)活動(dòng)：一是將對(duì)銀道面進(jìn)行巡天觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)新的高能變?cè)春鸵阎吣芴祗w的新活動(dòng)；二是通過(guò)觀測(cè)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(duì)致密天體和黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)中動(dòng)力學(xué)和高能輻射過(guò)程的認(rèn)識(shí)；三是在硬X射線、軟伽瑪射線能區(qū)獲得伽馬射線暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象的能譜和時(shí)變觀測(cè)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)致的黑洞形成過(guò)程；四是探索利用X射線脈沖星進(jìn)行航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理，并開(kāi)展在軌實(shí)驗(yàn)。

“挑剔”的望遠(yuǎn)鏡

對(duì)很多不了解背景的人來(lái)說(shuō)，“慧眼”仿佛一夜之間橫空出世，并且一步把中國(guó)帶入到X射線天文學(xué)時(shí)代。而對(duì)于中國(guó)天文學(xué)家而言，這是一個(gè)漫長(zhǎng)而焦灼的過(guò)程，并在此間克服了重重困難。

1. 監(jiān)測(cè)“慧眼”長(zhǎng)期在軌狀態(tài)?！盎垩邸痹O(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)4年，入軌后，將在空間環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行。一方面，空間環(huán)境畢竟和地面環(huán)境不一樣；另一方面，隨著探測(cè)器的長(zhǎng)期工作，可能會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象。這些因素都可能導(dǎo)致探測(cè)器性能指標(biāo)的漂移，為了監(jiān)測(cè)“慧眼”長(zhǎng)期在軌運(yùn)行狀態(tài)，中國(guó)計(jì)量院和中科院高能所基于放射性活度計(jì)量技術(shù)，為“慧眼”研制了18枚活度在豁免水平的在軌標(biāo)定放射源，隨時(shí)都可以對(duì)探測(cè)器的性能指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)及時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保障衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間的性能穩(wěn)定。

2. 沒(méi)有關(guān)機(jī)重啟的直播。作為一個(gè)全天時(shí)工作的天文觀測(cè)衛(wèi)星，“慧眼”的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)被形象地稱為24小時(shí)無(wú)間斷且沒(méi)有關(guān)機(jī)重啟的直播。于一般衛(wèi)星而言，對(duì)受到影響的衛(wèi)星設(shè)備實(shí)施關(guān)機(jī)重啟，是糾正錯(cuò)誤的一種被動(dòng)選擇。不過(guò)，針對(duì)需要數(shù)據(jù)傳輸4年不間斷工作的“慧眼”來(lái)說(shuō)，關(guān)機(jī)重啟就意味著數(shù)據(jù)中斷，有關(guān)任務(wù)目標(biāo)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。于是，科研人員給“慧眼”配了一名專(zhuān)屬的“太空信使”—數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)。它的主要功能是將硬X射線望遠(yuǎn)鏡搜集到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)或通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)降孛娼邮照尽?/p>

3. 避免單粒子翻轉(zhuǎn)的影響。太空中的強(qiáng)輻射對(duì)衛(wèi)星的敏感器件來(lái)說(shuō)可是“致命殺手”。研制人員在衛(wèi)星容易受輻射影響的部位加厚防輻射包裹——類(lèi)似孕期的準(zhǔn)媽媽常穿著防輻射服，來(lái)保護(hù)腹中的寶寶一樣。當(dāng)然，這一層威脅還較容易得到化解，但是免于單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)衛(wèi)星芯片等產(chǎn)品的影響要復(fù)雜和艱難得多。

所謂單粒子翻轉(zhuǎn)，是指宇宙中單個(gè)高能粒子射入半導(dǎo)體器件靈敏區(qū)，使器件邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。衛(wèi)星和地面計(jì)算機(jī)一樣，數(shù)據(jù)均是采用二進(jìn)制的“0”“1”來(lái)存儲(chǔ)、傳輸和讀取。單粒子不定期來(lái)襲時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)的某些器件一旦受到高能單粒子的撞擊，就會(huì)使存儲(chǔ)的“0”變成“1”，或者“1”變?yōu)椤?”，導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯(cuò)誤，重者會(huì)導(dǎo)致傳輸中斷，更別說(shuō)正確解讀、實(shí)時(shí)傳輸天文數(shù)據(jù)了。為此，科學(xué)家將重要數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)3次，也就是給1個(gè)數(shù)據(jù)做兩個(gè)備份。如果數(shù)據(jù)被高能單粒子篡改，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)另外兩個(gè)沒(méi)有被改變的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自我修復(fù)。

4. 不能見(jiàn)太陽(yáng)的望遠(yuǎn)鏡。從值守的位置來(lái)看，必須確?！盎垩邸蓖h(yuǎn)鏡不見(jiàn)太陽(yáng)，直射、斜射都不行，以免輻射增溫，增加探測(cè)器的噪聲。為此，科研團(tuán)隊(duì)采取主動(dòng)和被動(dòng)控溫相結(jié)合的方法，采取多極隔熱、深冷熱管技術(shù)以及優(yōu)化觀測(cè)狀態(tài)等手段，多管齊下，盡可能滿足衛(wèi)星有效載荷的苛刻需求。還很溫馨地給衛(wèi)星戴上了一頂“太陽(yáng)帽”——遮陽(yáng)板。

“屬于中國(guó)人”的未知宇宙

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，中國(guó)航天在空間技術(shù)、空間應(yīng)用、空間科學(xué)三大領(lǐng)域均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?！盎垩邸毙l(wèi)星的成功發(fā)射，將顯著提升大型科學(xué)衛(wèi)星的研制水平，填補(bǔ)中國(guó)空間X射線探測(cè)衛(wèi)星的空白，實(shí)現(xiàn)中國(guó)在空間高能天體物理領(lǐng)域由地面觀測(cè)向天地聯(lián)合觀測(cè)的跨越。

與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)在空間科學(xué)方面無(wú)疑還處于起步階段，但仍然有迎頭追趕的機(jī)會(huì)。中國(guó)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”，將是今后這段時(shí)期研究黑洞動(dòng)力學(xué)過(guò)程獨(dú)一無(wú)二的“利器”，是X射線天文學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑。

有太多秘密還隱藏在那片未知的宇宙當(dāng)中?！盎垩邸本拖褚蛔罩械奶煳呐_(tái)，讓科學(xué)家能夠望向那片未知，能探索未知的奧秘。這當(dāng)然只是中國(guó)天文學(xué)家邁向太空的一小步，但也許是最重要的一步。因?yàn)檫@一步，中國(guó)天文學(xué)家邁進(jìn)了那片“屬于自己”的未知宇宙。

（作者為中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員）