「慧眼」獨具 給宇宙來張X光「留影」

不同波長輻射的特徵

6月15日，我國首顆空間X射線天文衛星――硬X射線調製望遠鏡（「慧眼」）在酒泉發射成功，順利進入了高度55公里、傾角43度的近地軌道，成為了在軌運行的X射線天文衛星大家族的一員。僅10天後，「慧眼」逮住了一個伽馬暴GRB170626B，而伽馬暴正好是「慧眼」最主要的科學目標之一。

空間天文是觀測與機遇的學科，新的設備新的方法往往引起新的重大發現。「慧眼」加入空間觀測隊伍，使得空間X射線天文觀測手段更加多樣，為多波段觀測伽馬暴、硬X射線銀道面掃描、發現新的變源和新的黑洞以提供了新的可能。

極端物理過程的探針

在漆黑的夜裡點燃蠟燭，可以看見內外三層燃燒火焰，最外層的火焰顏色最為明亮，最內層的火焰最暗，這是因為最內層的溫度最低，最外層的溫度最高。火焰溫度不同，發出的光的顏色也即波長不同，溫度越高波長越短。

蠟燭火焰的溫度只有幾百攝氏度可以發出可見光，那當燃燒的溫度達到上百萬攝氏度時情況又將如何？比如太陽的日冕燃燒的溫度達到了上百萬攝氏度，可以發出波長短到肉眼已經看不見的光，也就是X射線。

X射線與可見光一樣都是電磁波。可見光的波長在400納米―700納米左右，而X射線的波長小於1納米，只有可見光的幾百分之一。越短的波長意味著擁有更高的能量，可見光的能量只有2電子伏特（eV）左右，而X射線的能量可以達到1keV至幾百keV。當其能量在10keV以下時被稱為軟X射線，當能量達到20keV以上時稱為硬X射線。通過捕捉X射線，科學家得以對宇宙中的高溫、高密等極端物理環境進行研究。

比如黑洞吸積物質時會形成一個旋轉的氣體吸積盤。吸積盤中氣體高速旋轉，摩擦力使吸積盤中心氣體的溫度達到驚人的高度，並發出強烈的X射線。通過捕捉宇宙中的X射線就可以推斷黑洞的存在。1970年發射的第一個X射線天文衛星烏呼魯(Uhuru)的觀測證實了黑洞的存在，而「天鵝座 X-1」是第一個被認定為黑洞的天體，是天空中一個很強的X射線源。

給X射線源「留影」不容易

不同於可見光的觀測，因為大氣吸收導致X射線無法在地面進行觀測，只能將X射線望遠鏡送入太空進行觀測。

1962年賈科尼領導的小組利用探空火箭第一次探測到太陽系以外的X射線源天蠍X-1和X射線背景輻射。這一發現讓賈科尼獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

因火箭的探測時間太短，往往只有幾分鐘時間，科學家們進而採用發射衛星的方式，獲得穩定的長時間觀測數據。1970年世界上第一個空間X射線天文衛星發射成功並完成了首次X射線巡天觀測。

早期X射線觀測都是簡單地探測來自天體源的光子數目，沒有空間分辨能力。而在星系的中心往往存在多個X射線源，需要進行成像觀測才能進行區分。1978年發射的Einstein(HEAO-2)空間X射線望遠鏡首次實現了X射線的成像觀測，成功發現了上千顆新的X射線源。

但要讓發出X射線的天體在「照相機」中留下身影不容易。比如在體檢時拍X光片。由於X射線的能量高、穿透能力強，從X光發射源發出的X光會直接穿透人體。最後在膠片上留下的深淺不一的照片並非代表它最初的強弱變化，而是它在穿透人體、被不同人體結構吸收後形成的圖像。

要給X射線「留影」，一般要用到「掠入射」這一物理現象。也是因為X射線的能量比可見光高、穿透能力強，因此它不能像可見光一樣在任意角度入射都可以發生反射，只有當入射X射線與鏡子近乎平行時才可能發生反射。這種情況被稱為掠入射。入射X射線與鏡面夾角越大則反射概率越小。掠入射聚焦成像主要集中在0.1―10keV的軟X射線波段，其中最為著名的是目前仍在軌運行的XMM-Newton以及Chandra衛星。

硬X射線成像觀測進展緩慢

硬X射線比軟X射線能量更高，穿透能力更強，因而硬X射線用掠入射的方式聚焦成像較為困難，在鏡子表面發生反射的概率更低。目前僅有在軌運行的核分光望遠鏡陣列衛星（NuSTAR）將聚焦成像的能端擴展到了硬X射線波段，但對聚焦鏡子表面粗糙度要求達到了幾層原子的厚度，加工難度巨大，裝配周期長。

2002年發射升空的國際伽馬射線天體物理學實驗室衛星（INTEGRAL）突破了這一觀測障礙。它首次採用編碼孔徑技術實現了硬X射線源的成像。2004年發射升空的雨燕號衛星（SWIFT）也用同樣方法實現了全天區的硬X射線觀測。所謂編碼孔徑成像技術，就像太陽通過樹葉的縫隙在地面形成光斑一樣。不同方向入射的X射線經過編碼板後會形成不同的投影，通過投影反推得到入射X射線的方向，從而實現成像。編碼孔徑成像需要位置靈敏探測器，儀器相對複雜，而且由於編碼板的遮擋，大部分入射的X射線都無法被探測，探測效率較低。

「慧眼」探測另闢蹊徑

但掠入射和編碼孔徑技術都不是「慧眼」的選擇。

「慧眼」採用更為簡單的方法實現了硬X射線的聚焦成像，即直接解調成像。通過在探測器前面安裝準直器，也即通過限制入射的X射線，「慧眼」只允許與準直器成一定夾角的X射線穿過，實現對入射X射線的調製。通過調整衛星的姿態，使得準直器的掃過天空的不同地區，測量得到不同天區的X射線強度。利用我國學者的直接解調成像即可實現對天體源的硬X射線成像。由於「慧眼」採用非成像探測器，探測器的數目由INTEGRAL的10000個降到了只有18個，極大降低了對讀出電子學的需求，同時降低了功耗。相較於其他X射線空間望遠鏡「慧眼」擁有更大的面積，意味著在進行爆發源短時間內的光變特性研究時可以探測到更多的光子數，因而具有更高的可信度。「慧眼」上天后在衛星平台的測試階段，即捕捉到了伽馬暴充分說明了其優勢。

其實「慧眼」並不局限於硬X射線這一能段，研製團隊後來為它加上了低能和中能X射線探測器，使它的能區覆蓋範圍擴大到1―250keV，三個探測能段相互重疊，還可以通過對同一個天體源進行觀測實現相互間的交叉標定。首席科學家張雙南又創造性地添加了觀測伽馬暴的任務，使衛星的能量覆蓋範圍在原來的基礎上擴大了10倍。

目前約有10顆空間X射線天文衛星在軌運行。「慧眼」憑藉其獨特優勢，定能在國際天文研究領域，看到屬於自己的一片廣袤星空！

（作者系中科院高能物理所副研究員、HXMT項目組成員）

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