今朝夢圓！中國首台硬X射線太空望遠鏡升空！

最新 06-16

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共3000字，20圖。預計閱讀時間：10分鐘。

本文原題目：今朝夢圓！中國首台硬X射線太空望遠鏡升空！

根據新華社消息，北京時間2017年6月15日11時00分，我國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射線調製望遠鏡衛星「慧眼」。這次發射還搭載了國內外3顆小衛星。同時要指出的是，這是中國長征系列火箭的第248次發射。

伴隨著這顆太空望遠鏡的升空，我國十二五期間的空間戰略先導專項畫上了完滿的句號，可謂是今朝夢圓。（十二五期間的空間戰略先導專項首批計劃包括4顆星：量子通信衛星、暗物質衛星、實踐十號衛星、硬X射線太空望遠鏡。）

小火箭在本文於大家共同探討以下3個問題：

1. 什麼是硬X射線

2. X射線與黑洞

3. 中國的硬X射線望遠鏡有多厲害

硬X射線

硬X射線在這裡並不是指觸感堅實或者口感酥脆的X射線，而是波長比較短（也就是能量比較高）的X射線。這就像我們說的吃幾個「硬菜」，這個硬並不是指菜不好咬，而是指食材和口味更能夠滿足吃貨的信仰。

具體來說，X射線是一種波長在0.01納米到10納米之間的電磁波。波長小於0.1納米的X射線被認定為硬X射線。說起來，細心的你或許已經發現，硬X射線的波長範圍（0.01納米到0.1納米）已經和一部分伽馬射線重疊了。嗯，在細節上只好用射線的輻射來源來區分了：硬X射線來源於高能電子的加速，而伽馬射線來自於原子核的衰變。

X射線天文學

X射線天文望遠鏡為人類觀測宇宙開拓了新的視野。以X射線觀察宇宙，人類發現宇宙不再像肉眼所見的那樣祥和與寂靜。（上圖紅色部分為銀河系紅外圖像，藍色部分為銀河系中心的X射線成像特寫。）

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黑洞的巨大引力撕碎了臨近的恆星，在那驚天動地的過程中，恆星與黑洞爆發了響徹霄漢的嘶吼，穿越數億光年的距離來到地球附近。不過這個過程非肉眼凡胎可見，目前只能以X射線的形式被相應的探測器感知到。

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而星系的碰撞與交融、超新星的爆炸與中子星的誕生，這些宇宙中蕩氣迴腸、波瀾壯闊的場景，都仰賴X射線天文望遠鏡來觀測。

硬X射線比X射線的能量更高，這是研究黑洞乃至宇宙形成的早期階段的樣貌非常關鍵的波段。早在上世紀90年代初，美國國家科學研究委員會就把硬X射線成像列為90年代空間高能項目的最高優先順序了。

然而，20多年過去了，能夠實現硬X射線巡天的太空望遠鏡還沒有出現成熟的型號。可以說，這將是添補人類天文觀測領域空白的一塊重要的拼圖。

中國硬X射線望遠鏡

這塊拼圖，將由中國的硬X射線太空望遠鏡來拼上。該星大名為HXMT，昵稱為「慧眼」。小火箭期待慧眼能夠早日識出宇宙中的顆顆明珠。

小火箭按照中科院高能物理所的官方數據，可以發現：中國這台硬X射線太空望遠鏡搭載了HE、ME和LE也就是高能、中能和低能3類探測器。

其中，HE也就是高能主要負責20~250 keV的硬X 射線探測任務，是HXMT 的主要載荷之一。該探測器由18 個碘化鈉（鉈）/ 碘化銫（鈉）複合晶體主探測器和準直器組成，主探測器的視場由18個不同柵格取向的準直器來限定。

ME也就是中能是HXMT 有效載荷的子系統，探測器採用864 片硅光二極體（Si-PIN）陣列探測器的技術方案，共有1944 個探測器單體，探測面積為952 平方厘米，覆蓋能區為5~30keV。

LE則選用掃式電荷器件（Swept Charge Device，簡稱SCD）加準直器的技術方案。LE 的能量覆蓋範圍應在1~15 keV，探測面積約382 平方厘米，能量解析度小於等於450 eV，時間解析度小於等於1毫秒。

國際上，在中國之前，美國、日本等國家發射過X射線太空望遠鏡，但是這些望遠鏡有的專註於硬X射線本身而不能巡天，或者有著能夠巡天但其觀測波段尚未進入硬X射線範圍。中國這顆硬X射線太空望遠鏡則終於結合了硬X射線和巡天這兩大特性。上圖為美國1999年發射的錢德勒X射線太空望遠鏡。

小火箭查看以往的探測歷史發現，迄今為止人類共觀測到了宇宙中70多個硬X射線天體（每一個都是很厲害的，都是名副其實的「前方高能」）。而如果中國硬X射線太空望遠鏡完成巡天的話，人類發現的硬X射線天體的數量則有望從70多個躍升為上千個。小火箭想一想就覺得很開心。

（上上圖為錢德勒X射線望遠鏡拍攝到的一顆超新星爆炸時釋放的X射線，上圖為該望遠鏡拍攝的一顆中子星周邊的強大X射線。）

總體說來，小火箭覺得中國首個硬X射線太空望遠鏡的特點可以概括為「三高一大一上」。（哈哈，感覺是在給中國科學事業做廣告了，自己也驚訝地發現居然也能寫出類似廣告文案的文字）。

這「三高」分別指：高解析度、高靈敏度和高定位精度。「一大」指的是巡天觀測範圍大，真正實現了360°巡天。「一上」指的是這台X射線望遠鏡上了天，比在地面建設的望遠鏡有諸多優勢。有關解析度和靈敏度的數據見小火箭上面的文字，而這個高定位精度則是搭載硬X射線太空望遠鏡的衛星平台提供的。

我們在拿手機拍攝景色的時候，會有個體會：手機攝像頭的性能是關鍵因素，而手不要亂抖，拿得穩也是拍出清晰畫面的重要保障。搭載硬X射線太空望遠鏡的衛星就是這個穩穩的手。（小火箭也期待大家能夠說，小火箭講的衛星和火箭相關的文章，穩！[害羞]）。

中國的硬X射線太空望遠鏡能夠對準慣性空間的一個方向進行三軸穩定觀測。得益於衛星上面高性能的陀螺儀和姿態控制系統，這台太空望遠鏡能夠實現對特定天區的「凝視」觀測。

最是那深情的凝視，即將揭開被宇宙塵埃遮住的巨型黑洞的奧秘。小火箭等著你的好消息。

衛星平台的設計對太空望遠鏡的成敗起著關鍵作用。小火箭想起了日本的那顆名為「朱雀」的X射線望遠鏡。那上面的X射線探測器不可謂不先進，靈敏度不可謂不高。為了獲得高解析度，日本工程師不惜代價用液氦來冷卻敏感器，以便獲得目前人類的科技水平條件下能夠獲取的最低的溫度。結果衛星平台設計的不夠好，液氦的消耗速度遠超預期，在觀測到巨型黑洞後不久，這個探測器就失效了。

2016年，日本又發射了新的X射線太空望遠鏡，其探測器的性能更加強大。但是，搭載該探測器的衛星平台的姿態控制系統出了問題。用於姿控系統的代碼寫錯了，當衛星姿態角出現偏差時，姿控系統的推進器開始奮力工作糾偏，結果方向噴反了。衛星非但沒有擺正姿態，反而超誤差越來越大的地方轉。後來推進器火力全開，衛星整個在太空高速旋轉了起來。最終被推進器的巨大推力推動著轉得越來越快的衛星無法承受巨大的力量，結構碎裂，在太空中解體。預期壽命10年的衛星只工作了3天。