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选择字体:      新华社客户端  发布时间:2017-06-19

“慧眼”十问:中国科学家的非凡智慧

  新华社甘肃酒泉6月15日电(记者全晓书喻菲屈婷)中国首颗X射线天文卫星“慧眼”于6月15日发射升空,科学家们将用它来观测宇宙中最神秘的天体——黑洞和中子星。

  “慧眼”,全称硬X射线调制望远镜卫星(简称HXMT)。名称虽然有些晦涩,但却和这颗卫星的来历和任务密切相关。下面,我们就从这里入手,从十个方面来解构这颗卫星,看看它到底汇集了哪些非凡的智慧,又具备了怎样锐利的“眼神”。

HXMT手绘示意图(手绘 贺萌)

  什么是硬X射线?

  X射线,相信大家一定都不陌生,谁没拍过几张X光片呢?X射线的波长很短,约介于0.01-10纳米之间,要远远小于可见光的波长,所以不能被肉眼观测到。

  科学家针对探测手段的不同,把X射线分成了硬X射线和软X射线。能量在20千电子伏(keV)以上的X射线,传统上被称为硬X射线;能量在10keV以下的,就被称作软X射线。以前的天文仪器主要在上述两个能段工作,中间这一段天文观测得比较少。

  硬X射线如何探测?

  如果我们把一台普通的光学望远镜对准X射线源,则根本无法获得其图像。这是因为X射线的波长极短,能量很高,所以它不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射而聚焦成像,而是会像一粒粒“炮弹”一样,直接砸在镜面上或者穿透镜面而过,能量越高,“炮弹”的穿透能力就越强。

这是HXMT卫星有效载荷示意图。(来源:中科院高能所)

  因为在X射线能段成像十分困难,西方科学家发明了编码孔径成像技术和掠射式镜面技术,但运用这两种方法制造的望远镜都十分复杂和昂贵。尤其是后者,要求镜面的表面粗糙度达到原子直径量级,目前国内尚不能制造这种适用空间X射线观测的镜面。

  中国科学家有啥妙招?

  西方的X射线探测器,我们既做不起,也做不了,那该怎么办?“这就逼着我们去创造新的成像方法。”“慧眼”背后的“灵魂人物”、中科院高能物理研究所李惕碚院士说。

  上世纪90年代初,李惕碚院士和他的同事吴枚研究员在不断探索中找到了一种新的算法,利用技术成熟、造价便宜的准直探测器(非成像探测器)的扫描数据,就能实现成像,被称作直接解调成像法。不过,这种新方法在提出之初因为太过“神奇”,甚至被怀疑为“弄虚作假”,经过十年左右的理论、实验和数据分析工作,才被国内外学者逐渐接受。

  “慧眼”只看硬X射线吗?

  1993年,李惕碚院士正式提出了基于直接解调成像法的硬X射线调制望远镜的建议。“当时,这是非常好的一种设想。然而,从1993年提出想法到2011年真正立项,十八年过去了,科学前沿以及X射线探测技术都有了较大的变化,所以,我们对这颗卫星的研究目标和手段也进行了调整。”HXMT卫星首席科学家张双南解释说。

2017年4月6日,李惕碚院士接受新华社记者专访。记者 屈婷 摄

  “慧眼”早已不再局限于硬X射线这一能段,研制团队后来为它加上了低能和中能X射线探测器,使它的能区覆盖范围扩大到1-250keV。张双南又创造性地添加了观测伽马暴的任务,使卫星的能量覆盖范围在原来的基础上又扩大了十倍。

  三种望远镜各有啥特点?

  如前所述,“慧眼”安装了高、中、低能三种望远镜。高能望远镜覆盖的能区范围是20-250keV,包括18个直径为19厘米的主探测器单体,总探测面积超过5000平方厘米,是世界上面积最大的高能X射线探测器阵列;中能望远镜覆盖的能区范围是5-30keV,包括三组探测器机箱,总探测面积达到952平方厘米;低能望远镜覆盖的能区范围是1-15keV,也包括三组探测器机箱,总探测面积为384平方厘米。

高能准直器主管设计师清华大学金永杰教授交付高能准直器前合影。(来源:中科院高能所)

  虽然这三种望远镜各有特点,但它们都是准直型望远镜,大体上都由三个部分构成:准直器、探测器和电子学系统。准直器可以限制X射线的入射方向,以便进一步确定天体源的方位;探测器会逐个对光子进行探测,过来一个光子,产生一个信号,其中包含入射光子的能量和时间等信息;电子学系统则把探测器产生的信号转化成普通仪器可以读懂的电信号,也就是脉冲信号。

  为啥探测面积越大越好?

  镜面望远镜由于受到制造工艺的限制,一般面积比较小。而“慧眼”的探测面积很大,探测到的信号就会更多。信号越多,就越有可能发现其他望远镜看不到的现象。

  比如,一个面积较小的探测器一秒钟只能探测到大约10个光子,而光子数量的涨落随时间的变化很大,在统计量这么低的情况下很难从光变曲线中发现什么规律或结构;如果探测器面积较大,一秒钟能探测到大约100个光子,误差就会变小,结构就更明显。“对于同样能被观测到的源,我探测到的光子数比你多,我就会比你发现更多的特性。”中科院高能所青年科学家熊少林解释说。

  为啥视场越大越好?

  “慧眼”还具有视场很大的优势,可以在两天左右时间内完成对银道面的扫描。而镜面望远镜由于视场很小,扫描一片天区需要花费很长时间,所以一般只做定点观测。

  “我们知道,天空中有很多暂现源,毫无征兆地就爆发了,又会毫无征兆地消失,扫描观测可以进行有效监测,比较容易发现这些暂现源。”熊少林说,“对于一个已知源,当然也有可能取得新发现,但对于一个新的源,新发现的概率更大,甚至是全新的闻所未闻的现象。”

  太亮的源会晃瞎眼吗?

  X射线有一个特性:能量越高,光子数量越少;能量越低,光子数量越多。所以,观测低能段X射线,往往会遇到光子堆积的问题。所谓光子堆积,是指两个或两个以上的光子打到探测器的同一个像素点上,探测器无法将它们区分开,也就测不清楚了。

手绘图表现的是伦琴和X射线。(手绘 贺萌)

  不过,不用担心,“慧眼”上的低能望远镜不会碰到这个问题。“聚焦型望远镜不适合观测强源,因为它会把所有X射线的光子都聚到一点上,曝光量过大,所以一看太亮的源,就白茫茫一片。我们是准直型望远镜,可以把光子分散开,堆积率很低,所以看多亮的源,都不会晃瞎眼。”HXMT卫星有效载荷低能望远镜主任设计师陈勇说。

  如何观测伽马射线暴?

  “慧眼”并没有为观测伽马射线暴增加和更改软硬件,使用的其实是高能望远镜主探测器中原本用于屏蔽本底X射线光子(特别是从望远镜后方入射的本底X射线光子)的碘化铯晶体。根据张双南的建议,团队的科学家们发现只要对探测器工作高压做适当调整,就完全可以用其来观测伽马射线暴。

这张手绘图表现的:掠射式镜面技术的原理和湖边打水漂十分相似。(手绘:贺萌)

  正是由于这种“变废为宝”的创新设想,在200keV-3MeV(兆电子伏)能区,HXMT卫星监测伽马射线暴的有效观测面积相比以往的设备可提高十倍左右,而且在观测伽马射线暴时都不需要正对着目标源,观测能谱随时间的变化非常好。

  为什么要打“遮阳伞”?

  中国航天科技集团公司第五研究院的研制人员在将各种X射线探测器安装到卫星平台上时,特别为中低能探测器设计了一把“遮阳伞”。

  “高能探测器的温度要在18摄氏度左右,而中能和低能探测器的工作温度却可能低到-80摄氏度或-40摄氏度。这就好比一个人只有一件衣服,却要在南极和赤道都能生存下来。我们用这把‘遮阳伞’挡住阳光,实现低温工作环境,同时为高能探测器加热,并在高低温设备之间采取了隔热措施,从而解决了这一难题。”卫星热控副主任设计师、载荷热控主任设计师周宇鹏博士说。

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