“慧眼”的慧眼

南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

慧眼衛(wèi)星是我國首顆X射線天文衛(wèi)星，發(fā)射3年多來，已經(jīng)取得了一系列重要的研究成果。

中科院高能所?圖

★中美兩國科學(xué)家利用慧眼衛(wèi)星的最新觀測(cè)成果破解了快速射電暴起源之謎，并為理解快速射電暴的輻射機(jī)制和磁星的爆發(fā)機(jī)制提供了重要的數(shù)據(jù)。

宇宙中一些原因未知的極端現(xiàn)象會(huì)引發(fā)科學(xué)家乃至公眾的極大興趣，這些現(xiàn)象經(jīng)常還會(huì)同外星生命、外星文明聯(lián)系在一起。探尋這些現(xiàn)象背后的物理機(jī)制、回答這些現(xiàn)象的起源之謎成為天體物理學(xué)家的重要工作之一。

2021年2月19日，由中國科學(xué)院高能物理研究所（高能所）領(lǐng)銜，北京師范大學(xué)、美國內(nèi)華達(dá)大學(xué)、清華大學(xué)等單位參與的研究成果發(fā)表在《自然·天文學(xué)》（Nature Astrono-my）上。這篇論文公布了慧眼衛(wèi)星的最新觀測(cè)成果：慧眼衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)首個(gè)同快速射電暴相關(guān)聯(lián)的X射線暴，確認(rèn)其來自銀河系內(nèi)的磁星SGR J1935+2154，并在國際上首先證認(rèn)該X射線暴包含的兩個(gè)X射線脈沖是快速射電暴的高能對(duì)應(yīng)體。這一發(fā)現(xiàn)證明快速射電暴可以起源于磁星爆發(fā)，破解了快速射電暴的起源之謎，并為理解快速射電暴的輻射機(jī)制和磁星的爆發(fā)機(jī)制提供了至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。高能所相關(guān)研究人員在同日召開的“慧眼天文衛(wèi)星證認(rèn)快速射電暴來自于磁星”新聞發(fā)布會(huì)上對(duì)該項(xiàng)研究進(jìn)行了介紹。

慧眼衛(wèi)星全稱是慧眼硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Insight-HXMT），是我國首顆X射線天文衛(wèi)星。1993年，中科院院士李惕碚等人提出了慧眼衛(wèi)星的項(xiàng)目建議書。2011年3月，國防科工局正式批復(fù)慧眼立項(xiàng)，同時(shí)慧眼也被列入中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)。2017年6月15日，慧眼衛(wèi)星發(fā)射升空。發(fā)射3年多來，慧眼衛(wèi)星已經(jīng)取得了一系列重要的研究成果。

快速射電暴（Fast Radio Burst，F(xiàn)RB）是一種持續(xù)時(shí)間短但能量極高的射電脈沖，科學(xué)家此前猜測(cè)這種現(xiàn)象是起源于銀河系外遙遠(yuǎn)宇宙深處的一種未知的高能天體物理過程。2007年，美國西弗吉尼亞大學(xué)的天文學(xué)家鄧肯·洛里默（Dun-can Lorimer）等人首次在搜尋脈沖星的過程中發(fā)現(xiàn)了快速射電暴。此后，這類奇異的現(xiàn)象引起了天文學(xué)家的關(guān)注，試圖解釋這一現(xiàn)象的理論也層出不窮，包括來自超新星爆發(fā)、中子星或者黑洞的合并等。

2007年以來，天文學(xué)家一直在對(duì)快速射電暴進(jìn)行觀測(cè)和分析。但與指向某些特定天體的觀測(cè)不同，快速射電暴突然出現(xiàn)又突然消失，天文學(xué)家無法提前做好準(zhǔn)備，因此觀測(cè)難度極大，而且十幾年來都無法確定快速射電暴的來源。2020年4月28日，加拿大CHIME實(shí)驗(yàn)和美國STARE2實(shí)驗(yàn)同時(shí)觀測(cè)到一次亮度極高的快速射電暴，這次快速射電暴被命名為FRB200428，其方向與銀河系內(nèi)的磁星SGR J1935+2154方向大概一致，而且根據(jù)恒星際介質(zhì)對(duì)不同頻率射電信號(hào)之間的時(shí)間延遲推算，快速射電暴源距離地球大約3萬光年，也跟SGR J1935+2154大致相符。因此，科研人員推斷FRB200428很可能起源于銀河系內(nèi)的這顆磁星，但還需要其他觀測(cè)證據(jù)的支持。

磁星是表面磁場(chǎng)強(qiáng)度為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度百萬億倍以上的中子星，在活躍期間會(huì)出現(xiàn)劇烈的X射線爆發(fā)。高能所研究員、慧眼衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南在發(fā)布會(huì)上介紹，2020年4月中旬，SGR J1935+2154進(jìn)入了一個(gè)新的活躍期，開始出現(xiàn)頻繁的X射線爆發(fā)，因此慧眼團(tuán)隊(duì)調(diào)整了衛(wèi)星的觀測(cè)計(jì)劃，從4月28日15:14:52到4月29日19:53:01對(duì)該磁星進(jìn)行了公開長機(jī)會(huì)目標(biāo)觀測(cè)。在FRB200428之前約8.6秒，慧眼衛(wèi)星探測(cè)到了來自這顆磁星方向的一個(gè)極亮的X射線爆發(fā)。這個(gè)時(shí)間差別正好與恒星際物質(zhì)對(duì)射電信號(hào)的延遲相當(dāng)，說明X射線暴和快速射電暴起源于同一次爆發(fā)。此外，慧眼衛(wèi)星基于獨(dú)特的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)，對(duì)X射線暴進(jìn)行了高精度定位，從而證明了該X射線暴和快速射電暴都來自這顆磁星。

這是人類首次確認(rèn)快速射電暴的起源天體，也是首個(gè)起源于銀河系內(nèi)的快速射電暴。FRB200428的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解快速射電暴的物理本質(zhì)，是一個(gè)重要的里程碑。關(guān)于FRB200428的相關(guān)研究成果，被英國《自然》雜志評(píng)為2020年十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，也被美國《科學(xué)》雜志列入2020年十大科學(xué)突破。

2020年5月10日，經(jīng)過緊鑼密鼓的數(shù)據(jù)分析，慧眼團(tuán)隊(duì)正式提交了這次發(fā)布的論文。在正式發(fā)表論文前，慧眼團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將論文在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv上發(fā)布，并產(chǎn)生了廣泛的影響?；垩坌l(wèi)星在完成最初的目標(biāo)觀測(cè)后，又對(duì)該磁星進(jìn)行了為期一個(gè)月的觀測(cè)，其間探測(cè)到一百多次X射線暴，為此后的研究積累了寶貴的數(shù)據(jù)。

在一些科幻作品中，外星生命會(huì)通過發(fā)射射電信號(hào)與人類溝通，因此快速射電暴的發(fā)現(xiàn)也曾經(jīng)引發(fā)了與外星生命有關(guān)的聯(lián)想。人類長久以來都在暢想外星生命，并進(jìn)行過搜尋外星生命的努力，但隨著慧眼衛(wèi)星等探測(cè)器和射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)磁星SGR J1935+2154的觀測(cè)，科學(xué)家已經(jīng)證認(rèn)了快速射電暴的來源，磁星極端的物理環(huán)境沒有為生命的存在留下任何空間。

慧眼衛(wèi)星是中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)首批立項(xiàng)的4顆科學(xué)衛(wèi)星之一，我國的空間科學(xué)衛(wèi)星由此正式起步。目前，由高能所牽頭的國際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出慧眼繼任者的方案，這個(gè)下一代的科學(xué)衛(wèi)星被命名為增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（eXTP）。早在2007年慧眼衛(wèi)星還未正式立項(xiàng)之時(shí)，高能所的科研團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)提出了eXTP的設(shè)想，體現(xiàn)出大型空間科學(xué)項(xiàng)目的前瞻性。

eXTP目前計(jì)劃在2027年左右發(fā)射升空，在中子星、黑洞等天體的研究方面，它的綜合性能相比國際同類衛(wèi)星會(huì)有一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的提升，將使中國的空間高能天文研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平。銀河系外的快速射電暴距離我們更遠(yuǎn)，相應(yīng)的信號(hào)非常微弱。eXTP將成為探測(cè)它們的一件利器，幫助我們真正理解快速射電暴的物理機(jī)制，進(jìn)而加深對(duì)宇宙極端高能現(xiàn)象的理解。