空間X射線天文衛(wèi)星的“自白”

文_白國龍 全曉書

空間X射線天文衛(wèi)星的“自白”

文_白國龍 全曉書

“慧眼”看宇宙 翟桂溪/制圖

宇宙深處的黑洞你好，我是“慧眼”，一顆來自中國的空間X射線天文衛(wèi)星。6月15日我首次進(jìn)入太空，飛行在距地550公里圓形軌道上，專門為你而來。

飛行正常后，我身上的科學(xué)儀器將“技能全開”，“掃描”銀河系、監(jiān)視恒星爆發(fā)、測量黑洞質(zhì)量等科學(xué)探索任務(wù)都將展開。中國科技人員用六年多時間將我鍛造成聰明好用的“宇宙星探”，希望能探尋星空的奧秘?？茖W(xué)家視我為“X射線天文學(xué)發(fā)展史上的一座里程碑”。有了我，中國的空間科學(xué)探索值得期待。

巡天有我 為黑洞而生

我為宇宙深處的黑洞而生，專業(yè)名稱叫“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”，我與硬X射線以及黑洞的關(guān)系還得從頭說起。

從1964年美國探空火箭所攜帶的探測器發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞——天鵝座X1，到2014年美國科幻大片《星際穿越》描繪了黑洞的模樣，人類對你這個吞噬一切的神秘天體的探尋和想象從未停止。

但50多年過去了，人類對黑洞的了解仍在初始階段。今天的科學(xué)家已經(jīng)知道，當(dāng)物體被黑洞或者中子星等致密天體的引力捕獲后，會以螺旋運(yùn)動掉向中心天體，速度越來越快，溫度越來越高，最后會發(fā)出強(qiáng)烈的比一般X射線能量還高的硬X射線。

換句話說，探測宇宙中的硬X射線對人類了解黑洞等致密天體的活動，揭示宇宙奧秘非常重要。但硬X射線不能穿透地球大氣層，因此，探測黑洞等天體發(fā)出的硬X射線的重任就落在我的肩頭。

在未來四年多的時間里，我身上的高能、中能、低能X射線望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器等科學(xué)儀器能幫我將以我為圓心的全宇宙360度的范圍納入視野之內(nèi)。

我可以“掃視”：對銀河系進(jìn)行大天區(qū)巡天和掃描，發(fā)現(xiàn)新的高能天體；也可以“凝視”：對幾十個經(jīng)典的X射線源進(jìn)行長時間的定點(diǎn)觀測，測量一批黑洞的質(zhì)量和自傳參數(shù)，以及中子星表面的磁場強(qiáng)度、質(zhì)量和半徑，為甄別黑洞形成和中子星內(nèi)部性質(zhì)的理論模型提供依據(jù)。

我還可以“守株待兔”。首席科學(xué)家張雙南說：“‘慧眼’的伽馬射線暴工作模式，能獲取新的伽馬射線暴及其他劇烈爆發(fā)現(xiàn)象，這些將幫助人類進(jìn)一步理解高能劇烈爆發(fā)天體的基本屬性，研究宇宙深處大質(zhì)量恒星的死亡以及中子星并合等過程中的黑洞形成。”

雖然只是空間天文望遠(yuǎn)鏡俱樂部里的“新人”，但我在能量覆蓋范圍、探測面積和能量分辨率等方面具有明顯的綜合優(yōu)勢，很多技能達(dá)到世界先進(jìn)水平。我的首席科學(xué)家張雙南相信，未來，依靠我的努力，中國可以發(fā)現(xiàn)一批以中子星、黑洞為主的新的天體源，而且每年都能發(fā)現(xiàn)幾十個到上百個伽馬射線暴。

“聯(lián)姻”：以科學(xué)的名義

與以往中國發(fā)射的普通衛(wèi)星相比，我一亮相就得到廣泛的國際關(guān)注，不僅因?yàn)槲沂侵袊最wX射線天文望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，而且因?yàn)槲亿s在了美國NASA“超越愛因斯坦計劃”的“黑洞發(fā)現(xiàn)者”之前升空。

就連美國“超越愛因斯坦計劃”新一代“黑洞發(fā)現(xiàn)者”候選項(xiàng)目EXIST的首席科學(xué)家也為我點(diǎn)贊：“中國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，將是國際上發(fā)現(xiàn)黑洞的重要裝置，是2020年前世界主打數(shù)據(jù)源，會對今后一段時間研究黑洞動力學(xué)過程發(fā)揮獨(dú)一無二的作用。”

然而在此之前，在數(shù)十顆從地球成功發(fā)射的天文衛(wèi)星中，沒有一顆是中國的，由于觀測數(shù)據(jù)源受制于國外，中國空間天文領(lǐng)域一度難以率先獲得創(chuàng)新性成果。

為了彌補(bǔ)遺憾，盡快填補(bǔ)中國空間天文探測領(lǐng)域的空白。我的父母——航天科技集團(tuán)五院和中國科學(xué)院高能所這兩個“國家隊(duì)”以科學(xué)的名義“聯(lián)姻”，用中國的理論和中國的衛(wèi)星打造出我這個太空望遠(yuǎn)鏡，從而為中國獲得重大科學(xué)產(chǎn)出、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展奠定新的里程碑。

但這樣的“聯(lián)姻”并不一帆風(fēng)順。在我2500公斤的體重中，科學(xué)儀器的重量占了981公斤，這些科學(xué)儀器，是國內(nèi)眾多科學(xué)家凝結(jié)近20年心血打造的。但這些全新的科學(xué)載荷也從技術(shù)、材料、工藝到環(huán)境、人員、設(shè)備等各方面給衛(wèi)星研制帶來全新挑戰(zhàn)。

比如，為了解決我的探測器的散熱問題，航天科技集團(tuán)的工作人員專門為我研制了低溫?zé)峁?。在零下幾十?dāng)z氏度的空間環(huán)境下工作，低溫?zé)峁苣軒臀野烟綔y器保持在適宜工作的溫度，從而確保探測精度。

正如來自航天科技集團(tuán)五院硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星總指揮兼總設(shè)計師潘騰所說，空間科學(xué)衛(wèi)星的研制，對航天技術(shù)有很大的促進(jìn)和牽引作用，反過來也讓科學(xué)獲得更強(qiáng)的探測能力，解決以前沒有手段去解決的科學(xué)問題。他說，這是中國人在科學(xué)與工程上實(shí)現(xiàn)完美融合的典范。

帶上她的“眼睛” 空間探索我不孤單

中國科學(xué)家們?yōu)槲胰∶盎垩邸保还庖驗(yàn)槲夷艽┻^星際物質(zhì)的遮擋“看”宇宙中的X射線，還為紀(jì)念有“中國的居里夫人”之稱的老一輩著名科學(xué)家何澤慧先生。她曾積極推動高能天體物理的起步和發(fā)展，在核物理、宇宙線超高能物理、高能天體物理等領(lǐng)域都做出了重大貢獻(xiàn)。

浩瀚太空，星光璀璨。在中國探索宇宙的路上，我不孤單。

在我之前，尋找暗物質(zhì)粒子的“悟空”號衛(wèi)星、致力于研究微重力流體物理等問題的“實(shí)踐十號”返回式衛(wèi)星、全球首個量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”等“前輩”已先后進(jìn)入太空，并分別在各自的領(lǐng)域充當(dāng)科研“利器”，有望產(chǎn)生一批重大突破和原創(chuàng)性成果。在我之后，更多來自中國的伙伴還將加入。

按國家國防科技工業(yè)局系統(tǒng)工程司副司長趙堅的介紹，中國在“十三五”期間將有四次重要的空間科學(xué)衛(wèi)星和探測器實(shí)施發(fā)射，包括：預(yù)計于2017年8月發(fā)射的中意電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星；預(yù)計于2018年發(fā)射的中法海洋衛(wèi)星；預(yù)計于2021年左右完成研制并發(fā)射的中法天文衛(wèi)星，以及計劃在2020年發(fā)射、一次實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”的火星探測器。

而這些才剛開始，一大批空間科學(xué)衛(wèi)星正在中國人的計劃中，按趙堅介紹，中國正在努力推進(jìn)太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星工程、磁層—電離層—熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃、愛因斯坦探針、先進(jìn)天基太陽天文臺、全球水循環(huán)衛(wèi)星等空間科學(xué)衛(wèi)星的立項(xiàng)工作，未來中國人探索宇宙的范圍將越來越深、越來越廣。

——摘自新華網(wǎng)

科普小知識

黑洞

黑洞（Black hole）是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種密度無限大，體積無限小的天體，所有的物理定理遇到黑洞都會失效。

黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。黑洞產(chǎn)生的引力場極為強(qiáng)勁，以至于任何物質(zhì)和輻射在進(jìn)入到黑洞的一個事件視界（臨界點(diǎn)）內(nèi)，便再無法逃脫。黑洞無法直接觀測，但可以借由間接方式得知其存在與質(zhì)量，并且觀測到它對其他事物的影響。借由物體被吸入之前的因高熱而放出紫外線和X射線的“邊緣訊息”，可以獲取黑洞存在的訊息。