科技新知/中國大陸睜開「慧眼」 洞見驚心動魄的宇宙

6月15日11時00分,中國大陸在酒泉衛星發射中心用長征四號乙運載火箭,成功發射硬X射線調制望遠鏡衛星「慧眼」。

中國大陸首顆X射線天文衛星『慧眼』,6月15日從酒泉衛星發射中心升空,它將揭示宇宙中驚心動魄的圖景:黑洞吞噬被撕裂的星星、脈衝星瘋狂旋轉、宇宙深處猛烈的爆炸。

根據新華網報導,據國防科工局消息,這顆衛星全稱為硬X射線調製望遠鏡,由長征四號乙運載火箭送入550公里近地圓軌道。它將巡視銀河系中的X射線源,詳細研究黑洞和脈衝星,並監測伽馬射線暴,探索利用脈衝星為航天器導航。

它被命名為『慧眼』,寓意中國大陸在太空『獨具慧眼』,能穿過星際物質的遮擋『看』宇宙中的X射線,也為紀念推動中國大陸高能天體物理發展的已故科學家何澤慧。

科學家希望通過『慧眼』解開黑洞演化、中子星強磁場等劇烈天文過程中的種種謎團,研究極端引力條件下的廣義相對論和極端密度條件下的中子星物態,以及極端磁場條件下的物理規律等基礎科學問題,這些是現代物理學有可能獲得突破的重要方向。

空間科學之重器

『慧眼』重約2.5噸,載荷重量981公斤,其上同時安裝了高、中、低能三組X射線望遠鏡,實際上是一座小型空間天文台。

據中科院高能物理研究所研究員、衛星有效載荷總設計師盧方軍介紹,這顆衛星首次實現了1-250keV的能區全覆蓋,有利於從不同能段來觀測和研究X射線天體的輻射機制。

『慧眼』的探測面積很大,尤其是高能望遠鏡的探測面積超過了5000平方公分,是國際上同能區探測器中面積最大的。『面積越大,探測到的信號就會越多,就越有可能發現其他望遠鏡看不到的現象。』參與衛星研製的科學家熊少林說。

『慧眼』的視場也很大,約兩天即可完成對銀道面的掃描,有利於監測暫現源。『對於一個已知源,當然也有可能取得新發現,但對於一個新的源,新發現的概率當然會更大。』熊少林說。

『慧眼』是建立在中國大陸科學家李惕碚和吳枚提出的直接解調成像方法之上的準直型望遠鏡,因此它還具有觀測亮源的優勢。

據低能望遠鏡主任設計師陳勇介紹,X射線能量越低,光子數量就越多。『在觀測低能段亮源時,聚焦型望遠鏡會把所有X射線光子都聚到一點上,導致曝光過度,只能看到白茫茫一片;而我們的望遠鏡可以把光子分散開,看多亮的源,都不會晃瞎眼。』

特別值得一提的是,在『慧眼』首席科學家張雙南的建議下,在不增加和更改軟硬體的前提下,只要對探測器工作高壓做適當調整,高能望遠鏡主探測器中,原本用於遮罩本底X射線光子的碘化銫晶體,就可用來觀測伽馬射線暴了。這一創新設想將『慧眼』的觀測能區進一步推高到3MeV。

來自中國航天科技集團公司五院的衛星副總設計師倪潤立說,根據這顆衛星的科學目標,研製人員為它制定了巡天觀測、小天區觀測和定點觀測等多種工作模式。

研製人員還為中、低能探測器設計了一把『遮陽傘』。『高能探測器的溫度要在18攝氏度左右,而中、低能探測器的溫度卻可能低至-80攝氏度或-40攝氏度。這就好比一個人穿同一件衣服,卻要在南極和赤道都能生存下來。「遮陽傘」就是為了實現低溫工作環境。』衛星熱控副主任設計師周宇鵬說。

活捉黑洞、脈衝星

由於『慧眼』有較大的視場,對銀河系巡天是它最重要的使命。『我們預期會發現一些新的黑洞和中子星。』張雙南說。

他說,儘管其他國家已發射的同類衛星開展過巡天觀測,但絕大多數X射線源都是變源,會不定期發生劇烈的耀發,不是一兩次巡天就能發現的,因此『慧眼』將反複開展巡天掃描,及時探測銀河系內天體源的耀發。

『天上黑洞、中子星那麼多,但是現在還沒有一個被徹底搞明白,所以會不斷有衛星來觀測它們。』張雙南說。

神秘莫測的黑洞還隱藏著很多秘密。『黑洞能產生X射線等各種輻射,還有可能產生高能宇宙線以及強烈的噴流。它們究竟在幹什麼?現在人類只有二三十個黑洞的樣本,能發現更多當然好,對已發現的黑洞我們也希望研究得更清楚,找到黑洞只是開始。』張雙南說。

據他描述,黑洞有時很『冷靜』,有時很『暴躁』。當它『發脾氣』時,產生的X射線流強特別高。國外的衛星適合看『安靜』的黑洞,而『慧眼』特別適合看『暴躁』的黑洞和中子星。

『我們還不知道為什麼有些黑洞「發脾氣」,所以我們希望對銀河系的黑洞和中子星做比較詳細的普查。』張雙南說。

此外,『慧眼』還要給宇宙中詭異的中子星(脈衝星)『把把脈』。『我們還不清楚中子星的內部是什麼。它們具有超強的引力場、電磁場和核密度,可謂極端物理的天然實驗室。通過研究中子星的X射線,我們可以測量其表面的磁場強度,研究高密度、強磁場下物質的性質。』張雙南說。

期待意外發現

人類已探測到幾次引力波,但科學家急切想找到與引力波相對應的電磁波信號,這也是『慧眼』的一項重要使命。

熊少林說,目前引力波事件的定位精度還很差,如果在其發生的同時或者相近時間,在其相同位置發現電磁信號,聯合分析引力波信號和電磁信號會獲得更多關於爆發天體的資訊。一些科學家懷疑伽馬射線暴很可能是引力波事件的電磁對應體。

張雙南說:『已經發現的引力波還沒有一個找到電磁對應體。如果只在一個波段觀測,往往資訊是不完整的,所以我們非常希望看到引力波產生時也有X射線、伽馬射線或其他波段的信號,這些熟識的電磁波信號能幫助我們更好的認識引力波。』

他認為,尋找引力波電磁對應體極為重要。『慧眼』有200keV至3MeV能區面積最大的伽馬暴探測器,是目前國際上最好設備的10倍,預計一年可觀測到近200個伽馬暴,在今後引力波電磁對應體的搜尋中有可能取得一錘定音的效果。

『如果能發現引力波的電磁對應體,這將成為「慧眼」最精彩的科學成果。』張雙南說。

『我們的望遠鏡會發現很多我們以前不知道的現象,甚至是全新的天體,我們對此非常期待。但它最終有什麼樣的發現,現在誰也不知道,天文研究中最有趣的發現都是意外的。』張雙南說。

推動中國大陸空間科學發展

這枚來之不易的太空望遠鏡凝聚了幾代科學家的智慧與心血,將帶動中國大陸天文學研究整體發展,實現空間科學重大突破。

中科院院士顧逸東認為,中國大陸空間科學與國際先進水平相比還有較大差距,應爭取經過15至20年的努力,使中國大陸空間科學進入世界先進行列。

歐空局科學理事會科學支援辦公室主任阿溫德·帕馬說,『慧眼』要通過X射線研究黑洞、中子星等,這些是全世界科學家都感興趣的題目。『慧眼』升空後,將有很多機會與歐空局的幾顆衛星開展聯合觀測,這比一顆衛星單獨觀測對科學研究更有好處。

『我對中國大陸發展空間科學印象深刻,近兩年發射的暗物質粒子探測衛星、量子衛星以及未來的發射計劃都顯示出中國大陸有能力並致力於發展科學。』帕馬說。

義大利航天局資深科學家保羅·焦米說,中國大陸未來的空間科學衛星將更為複雜,更具有競爭力,這些衛星與地面科學設施必定使中國大陸成為空間科學知識的重要生產者。