借一雙「慧眼」，將黑洞看得真切

知識 05-22

黑洞，這個詞對於大部分人來講並不陌生。許多以時空、宇宙為題材的電影作品，都出現過它的名號。

30名研究人員耗時一年，用數千台計算機聯網進行精確模擬，終於在《星際穿越》中大膽勾勒了黑洞的樣子

圖源：sina.com

雖然是熒幕中的常客，事實上，我們對黑洞還知之甚微。它難以言喻的神秘、強大而詭異的美感，不光只是藝術創作的靈感源泉，更是人類智慧進步的驅動力。一點一點掀開它的面紗，或許會使我們對宇宙、生命產生完全不同的認知。

引力的神秘孩子：黑洞和中子星

一顆蘋果的落地為人類帶來了「引力」的概念，而也正是它，在極端宇宙中孕育了各種神奇的天體。

當一顆大質量恆星以絢爛的超新星爆炸結束自己的生命後，殘留質量如超過了太陽的1.4倍，就難以抵抗自身引力的拉扯，坍縮成了體積小、質量大、密度高的中子星。如果超過了太陽的3-4倍呢？那就厲害了！引力將狂暴地席捲一切，徹底坍縮為「黑洞」。

中子星和黑洞。一顆中子星可能只有一個小城市那麼大（典型直徑20km），但質量卻可能是地球的幾十萬倍以上。

圖源：《活捉黑洞：中國慧眼看到極端宇宙》

1783年，英國劍橋大學的學監約翰·米歇爾開了個清奇的腦洞，利牛頓公式他計算了逃離地球和太陽引力的速度，並推論如果一個質量足夠大且足夠緊緻的恆星，其強大的引力場會使星體上的光都無法逃脫，也無法觀測。十餘年後，法國數學家拉普拉斯也得出了類似的推論，並將其命名為「暗星」（Black Star）。這就是200多年前，我們對「黑洞」最初的認識。

這個概念直到愛因斯坦發表廣義相對論，有了引力對光的協調影響的理論，才開始被世界接受。從此，它在科學家們的演算紙中，以數學模型的形式成長了起來，逐漸具有了更豐富的物理內涵。

上世紀60年代脈衝星（以均勻時間間隔輻射脈衝的中子星）的發現，證實了中子星的存在。原來一顆恆星真的可以坍縮至如此小！那擁有更大質量的恆星更劇烈的坍縮也不是不可能的了。這也大為振奮了深信「黑洞」（Black Hole，脈衝星發現後不久，就被一位美國科學家正式命名了）存在的科學家們。

第一顆脈衝星的發現者喬斯林·貝爾，脈衝星的發現被譽為20世紀60年代天文學「四大發現」之一

圖源：iflscience.com

被稱為「宇宙燈塔」的脈衝星示意圖

圖源：ech.qq.com

很快，世界第一顆X射線天文衛星烏呼魯（Uhuru，原意為「自由」）在1971年為人類帶來了「黑洞」存在的證據。它捕捉到的一個強X射線源，是一個不可見的、質量是太陽約10倍的緻密天體——天鵝座X-1。如此龐大的質量，讓科學家們認定它為黑洞無疑。

世界第一顆X射線天文衛星「烏呼魯（Uhuru）」

經過幾百年的努力，我們已經將極端宇宙大門推開了一絲縫隙，感受到了門後世界的浩大和無盡神奇。理解「黑洞」，可能將左右人類對宇宙未來的認識和預測；而中子星作為天然的高能加速器，也可幫助我們進行無法在地球上的加速器開展的研究。不過，所有對於它們這樣那樣的推論和猜想，都需要用「看」到的實際證據來驗證。

迢迢黑洞，一「線」牽

黑洞在宇宙中設下了「引力陷阱」，連光都會悶不吭聲地掉進去，這樣決心低調到骨子裡的天體，叫人怎麼能「看」清楚呢？

引導我們走近它的關鍵，就是X射線。

用一個比較簡單易懂的說法：長期在宇宙中「歲月靜好」的黑洞卻有一個天生的習慣，那就「貪吃」。當它旁邊有物質存在時，霸道的引力會將這些物質統統「吃掉」。大快朵頤期間，由於它「嚼」得實在是太激烈了（畢竟引力技能滿點！），帶電粒子會在這樣的高溫、高密度、強磁場、強引力場等極端物理條件下產生高能輻射，這個時候黑洞就「亮」了！

不過發出的光並不是可見的光，而是比其高能成千上萬倍的X射線，甚至是γ射線。一般意義上，輻射出的X射線能量越高就意味著越靠近黑洞。

貪吃的黑洞

圖源：《活捉黑洞：中國慧眼看到極端宇宙》

不同物理條件的天體，發出的電磁輻射的性質不盡相同。正因如此，通過研究宇宙X射線可幫助我們反推黑洞的物理狀態。鑒於地球大氣會將這些高能X射線吸收，所以衛星成為了最重要的觀測工具。

1962年，美籍義大利裔天文學家裡卡爾多·賈科尼利用探空火箭，意外發現了除太陽以外的第一個宇宙X射線源——天蠍座X-1，從此開啟了X射線天文學。在「烏呼魯」正式樹立起里程碑後，從20世紀七十年代開始，包括英國、美國、荷蘭、日本等多個國家，都相繼發射了一系列的X射線天文衛星，邁向了深空。

第一個探測宇宙X射線的實驗，Giacconi et al., Phys. Rev. Lett., 9,439 (1962)

《仰望星空—探索黑洞的歷程》

而之前被送往宇宙的諸多衛星，大多都「專情」于波長較長、能量相對較低（0.1 keV-10keV）的軟X射線波段。雖擁有很高的靈敏度，卻容易飽和，較擅長觀測「安靜」的黑洞。而那些迸射出波長較短、能量相對較高（10 keV -1000 keV）硬X射線的「暴躁」黑洞，容易被它們所錯過。

和軟X射線觀測相比，硬X射線觀測可以擺脫熱輻射的影響；和γ射線觀測相比，由於光子的流強足夠高，更易於被觀測，可用於黑洞附近區域的物理性質及變化的詳細研究，這也讓其也成為了X射線天文觀測發展的一個重要方向。而最新的一顆同時擁有高靈敏度和解析度的硬X射線望遠鏡衛星HXMT，就是在中國誕生的。

（本圖為僅為示意）

終得「慧眼」，開啟一場偉大的宇宙探索

20世紀80年代，李惕碚、顧逸東、吳枚等第一批推動我國空間天文和其他空間科學探測的科學家出現了。通過不懈努力，並在著名核物理學家何澤慧先生的大力支持下，中國第一個用於空間高能天文觀測的硬X射線望遠鏡，由高空氣球「HAPI-1」送入了33千米的高空，飛行了8小時，實現了平流層高度上的天體X射線觀測。

何澤慧先生在香河氣球發放場

不過X射線，特別是硬X射線，波長極短、能量極高，如是普通的光學天文望遠鏡，射線會直接撞擊或者穿透鏡面，無法發生反射和折射，進而無法成像。雖然編碼孔徑成像技術和掠射式鏡面技術解決了這個問題，但運用這兩種方法製造的望遠鏡都十分複雜和昂貴，對於當時中國的工業和科技水平來講都非常困難。

困局在1992年被打破了。李惕碚院士和吳枚研究員創新性的提出了直接調製成像方法，這種新的演算法即使無法實現聚焦，仍可有效地將調製後的信號還原成圖像。結合掃描探測技術，基於直接解調製成像法的硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）的建議於1993正式提出。但由於太過「神奇」，經過了長達18年艱辛的理論、實驗和數據分析工作，終於於2011年迎來了立項。遺憾的是，同年何澤慧先生與世長辭，為紀念先生，HXMT升空後被賦予了另一個名字——「慧眼」。

左：球載硬X射線望遠鏡HAPI-4，對直接調製成像方法進行了驗證

右：1994年9月HXMT的項目建議書

HXMT衛星首席科學家張雙南研究員曾介紹到，十八年間，科學前沿以及X射線探測技術都有了較大的變化。所以，對這顆衛星的研究目標和手段也進行了調整，能區範圍已經擴大到了1~250keV。不同能段的觀測任務被分別分配到了高、中、低能望遠上，其中最為受到關注的，則是高能望遠鏡上的18個主探測器。

「慧眼」的18個主探測器

這18個主探測器每個直徑19cm，總面積高達5000cm2，是目前世界上面積最大的空間X射線探測器陣列。它擔任著高能能區，也就是硬X射線波段的探測任務，為我們捕捉光子的能量和時間等信息。之所以它可以敏銳的「看到」硬X射線，其核心部件——碘化鈉和碘化銫的複合晶體可謂是功不可沒。

碘化鈉和碘化銫是兩種對X射線非常敏感的晶體，它可以將「高深」的X射線「語言」轉化為探測器可以讀懂的「語言」（熒光信號）。然而，想將這樣大面積且將多種厚度不同的晶體光導材料進行高質量的耦合，並實現在良好的抗震性能和密封性的基礎上，達到世界一流的解析度，是十分困難的。可以說，探測器是否優越和穩定，最終取決於封裝工藝。

滿足機械抗震指標是基礎，實現高解析度是核心，這需要擁有雄厚的技術功底。雖面臨著國外技術和產品的「封殺」。但最終在負責HXMT高能望遠鏡的中科院高能物理研究所研製團隊和北京濱松光子技術股份有限公司的共同努力下，經歷了一系列艱辛的過程後（29輪試製，製作了30多個樣品），終於解決了同時滿足整體性能及抗震指標的大面積複合晶體封裝問題，達到了國際同類產品先進水平。

HXMT高能望遠鏡的主探測器（右下：複合晶體）。探測器讀出端採用的是濱松公司的5英寸端窗式光電倍增管，除了良好的工作穩定性，抗震性能也是核心指標。

濱松5英寸端窗式PMT

為了保證產品整體性能達標，濱松公司也專門成立了抗震性能研發小組，在有限時間內，保質保量完成了供貨，並額外提供了樣品，保障了項目的順利進行。同時濱松公司生產的硅光電倍增管（MPPC）也被使用在了慧眼衛星的軌標定探測器中。這是硅光電倍增管在世界範圍內首次被用於衛星項目中，也驗證了其在空間使用的可靠性。

濱松MPPC產品（部分）

當然，歷經艱難的不止只有高能團隊，中能、低能望遠鏡及地面等團隊都經受了巨大的考驗，每一步的進展都伴隨著起伏，一條長征路走得艱辛，卻也是單單一個「艱辛」所無法去涵蓋和形容的。終於，伴隨著HXMT的正式誕生，幾代中國空間天文學研究者的夢想開出了珍貴的花朵。

硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）——「慧眼」

2017年6月15日，HXMT衛星在酒泉火箭發射中心順利升空，在軌測試期間，通過多天區的掃描成像觀測和特定天區的定點觀測，以及伽馬射線暴監測等測試，各項功能和性能都得到了驗證，並取得了銀道面掃描監測、黑洞及中子星雙星觀測、伽馬射線暴、引力波電磁對應體探測、太陽耀發、特殊空間環境事件等初步科學成果。

其中，最為引人注目的，則是2017年8月對引力波GW170817事件電磁對應體的成功監測，這也讓人類在引力波觀測中終於變得「耳聰目明」。慧眼衛星對其高能段的輻射給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機製做出了重要貢獻。慧眼衛星團隊反應迅速，在全球70多個團隊中，是第七個報告成果的，在本次引力波事件最重要的發現論文的正文部分有著「慧眼」的觀測結果。此外，「慧眼」的詳細分析結果以獨立論文的形式於2017年10月16日同步發表在《中國科學：物理學力學天文學》雜誌英文版的網頁版。

HXMT衛星成為了中國空間X射線天文的開端，實現了寬波段、高靈敏度、高空間解析度X射線巡天、定點和小天區觀測，在世界現有X射線天文衛星中，具有先進的暗弱變源巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力等優勢，也將中國正式推上了世界空間天文的大舞台。

2018年1月30日，HXMT衛星正式完成了在軌交付，如今它也正翱翔於宇宙，以一雙「慧眼」，以期為人類探尋黑洞，以及更多的深空奧秘做出貢獻。