中國「慧眼」是如何用數據「看」宇宙的？

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硬X射線調製望遠鏡是天文台級空間天文衛星。

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一般來說，當我們想強調空間天文衛星包含多台望遠鏡，或者有多台相對獨立的科學儀器時，會把它稱為「天文台級」。例如，美國的哈勃空間望遠鏡就是天文台級，而WISE（寬視場紅外紅外探測器）一般不稱為天文台級；只能按照既定程序掃描全天的Gaia科學衛星也不稱天文台級。雖然NuSTAR（美國）比CXO（美國錢德拉X射線空間天文台）的光學系統、成像效果都更優秀，但NuSTAR儀器/功能遠不如CXO豐富，所以CXO是天文台級，NuSTAR就是空間望遠鏡。

它的名字是望遠鏡，然而事實上，衛星上搭載了高能望遠鏡、中能望遠鏡和低能望遠鏡三台望遠鏡載荷。

圖2 右下為高能望遠鏡部分，右上為中能望遠鏡部分，左下為低能望遠鏡部分（圖片來自於網路）

三台載荷都由不同視場準直器單體組成，區別主要在於探測器。

高能望遠鏡採用碘化鈉／碘化銫複合晶體閃爍體探測器，能將高能X射線、伽馬射線的能量吸收後，以低能光子的形式再把能量釋放出來。接下來，通過光電倍增管把低能光子轉換為電信號，就可以間接探測到高能光子的到達時刻和能量。

高能望遠鏡探測20keV以上能量的X射線。

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高能天文／天體物理與高能物理一樣，習慣以能量來表徵電磁波的波長或者頻率，keV即千電子伏，相當于波長約1納米的電磁波；作為參考，人眼睛最為敏感的綠光波長是550納米。

中能望遠鏡和低能望遠鏡分別採用不同類型的半導體探測器，探測5keV～30keV和1keV～15keV能量範圍的X射線。

不過，在數據分析方法的層面上，高、中、低能三台望遠鏡沒有本質區別。因此，接下來我們以高能望遠鏡為例，進一步展開介紹硬X射線調製望遠鏡的科學數據分析。

想必大家都知道醫院用的CT吧，CT的中文名是計算機斷層掃描成像。這和硬X射線調製望遠鏡的掃描觀測模式十分接近。

圖3 CT是從外部掃描「樣品」——人（繪圖：付宇盈）

圖4 望遠鏡是從「樣品」——銀河系內部進行掃描（繪圖：付宇盈）

區別在於，CT是把樣品（比如患者）放在中心，射線源和探測器繞著樣品轉，所成圖像反映樣品斷層不同位置對射線的吸收率或者透過率。望遠鏡的掃描在幾何意義上相當於從樣品（比如銀河系）內部掃描，所得圖像反映樣品沿著視線方向投影到某個單位球面上的亮度分布。

咦，不對啊，我看新聞里說，這台望遠鏡不能直接成像啊！那圖像是怎麼得到的呢？

準直器本質上就是一根中空的管子，用X射線不容易穿過的材料製成。當準直器正對X射線源時，能夠穿過準直器併到達探測器的X射線光子最多；當準直器略微偏轉時，X射線光子計數率（單位時間的個數）隨之下降；當準直器偏轉角度大到一定程度時，X射線光子就無法通過準直器的孔徑入射了，而只能在內壁散射或者從外壁穿透到達探測器，計數率也因此顯著降低。

圖5 當來自天體的X射線光子入射到碘化鈉晶體時，晶體發出閃爍光（圖片來自於中科院高能物理研究所）

因此，我們用準直器一邊旋轉掃描並記錄每個時刻準直器指向與初始指向的夾角，一邊記錄每個光子到達探測器的時刻，就完成了對X射線源的掃描觀測，並取得了觀測數據——光子到達事件與探測器狀態時間序列。

如何處理收集到的數據

接下來，我們把時間軸劃分成等間隔的時間段，並累加出每個時間段內到達的光子個數。也就是說，每個時間段內到達光子個數就是隨著探測器指向變化的函數。推廣一步來說，觀測數據可以表示為探測器狀態的函數。

圖6 當給定觀測模式、探測器對應位置時，單個點狀X射線源的觀測輸出

上面的圖反映了給定的觀測模式、探測器對給定位置的單個點狀X射線源的觀測輸出。數據分析中，我們把它稱為「探測器響應」。根據準直器的設計，我們可以根據幾何參數和材料特徵，預先估計得到探測器響應的理論模型。

發射之前，我們在地面預先通過標定實驗，標定了探測器的特性（例如探測效率、空間響應、能量響應等），並與理論模型相比較，從而檢驗理論模型是否全面、準確。

發射之後，我們還將在軌開展標定實驗，不斷修正模型。這樣，探測器響應大體上可作為帶有一定不確定性的已知函數。

探測器響應、觀測數據，是我們推算目標特徵的關鍵。

可以這樣理解，假設有一個建有游泳館的小鎮，「觀測數據」就是我們每天記錄下來的小鎮游泳館門票銷量，「探測器響應」主要描述實際入館游泳人數和門票銷量之間的對應關係，我們需要從這些信息中，來推測出，游泳愛好者團體的成員數量變化以及鍛煉強度變化等「目標特徵」。

圖7 「探測器響應」主要描述實際入館游泳人數和門票銷量之間的對應關係

對目標特徵（未知）、觀測數據（已知）、探測器響應（部分已知），我們可以建立一個方程，來求解未知的目標特徵。習慣上，我們將這個方程稱為調製方程，求解調製方程，也就被稱為解調。這也就是硬X射線調製望遠鏡和直接解調方法這兩個名詞中「調製」和「解調」的來歷。

如果目標特徵描述的是目標的空間亮度分布（也就是圖像），那麼解調過程就是成像過程；當然，我們也可以利用類似的手段，來重建目標的能譜（也就是光譜，目標在不同能量段的亮度變化）、光變（也就是目標亮度隨時間的變化）。

當然，上面介紹的內容是極大簡化之後的理想情形，實際工作中要考慮的因素更多，情況也更為複雜，但基本邏輯和原理是清晰的。

工程中，硬X射線調製望遠鏡衛星工程除了包含衛星、運載、發射場、測控等大系統之外，還包含地面應用系統。地面應用系統中的科學應用部分就負責科學數據分析。該部分包含科學支撐分系統，負責研究本底估計方法、觀測模擬方法以及解調方法，並開發相應的軟體。

實際工作中，我們採用了一些具體方法，來解決上述簡化情形沒有涵蓋的具體問題。例如，儘管望遠鏡專門配備的探測器來測量本底，但是考慮到不同成分的本底，以及探測器之間的個體差異，我們仍然設計了多種在軌實驗方案和數據分析方法，來估計望遠鏡探測過程中的本底——還記得前面的小鎮游泳館模型嗎？再比如，實際的調製方程維度高、複雜性高，這樣依賴，解調的計算需求就很突出。因此，我們基於機器學習、壓縮感知等技術，設計了自適應的快速演算法。

過去，利用美國、歐洲或者日本的望遠鏡開展研究工作時，我們不需要系統性的設計數據分析方法、也不需要開展工程化的科學數據分析軟體開發。

但現在，我們開始自頂向下設計、建造自己的望遠鏡了，可謂頂天（從頂層科學目標出發）立地（落實到工程、設施、儀器）。

自然地，我們也要系統性的設計為它量身定製的數據分析方法，開發數據分析軟體。在筆者看來，這個過程儘管需要在不斷摸索中前進，又沒有短期回報，但對於人才隊伍的建設，乃至建立更為全面研究人員考評體系，使之與「頂天立地」的研究模式相匹配，是十分必要的。

來源：科學大院

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