一雙「慧眼」看遍星辰大海

2017/06/15

原標題:一雙「慧眼」看遍星辰大海

【摘要】 (記者佘惠敏李芃達)6月15日11時00分,酒泉衛星發射中心,硬X射線調製望遠鏡衛星(下稱「HXMT衛星」)搭乘長征四號乙型運載火箭奔向太空。在HXMT衛星工程研製中,航天五院承擔衛星平台的研製任務,中科院高能所負責科學目標提出、有效載荷研製以及科學數據處理和分析。

經濟網酒泉6月15日訊(記者佘惠敏李芃達)6月15日11時00分,酒泉衛星發射中心,硬X射線調製望遠鏡衛星(下稱「HXMT衛星」)搭乘長征四號乙型運載火箭奔向太空。這顆名為「慧眼」的天文衛星,將承載著科學家們的觀天之夢,駐足浩瀚宇宙,穿過層層遮擋,看遍星辰大海……

慧眼望向何方

作為首顆空間X射線天文衛星,HXMT衛星其實具有三雙「慧眼」——其主要有效載荷包括高能X射線望遠鏡、中能X射線望遠鏡、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器,能夠實現1-250 keV(1000電子伏特)能段全覆蓋探測,並具有大天區和大有效面積巡天能力和高精度定點觀測能力。

「『慧眼』衛星的成功發射,填補了空間X射線天文衛星領域的空白,實現了天文觀測由地面觀測到天地聯合觀測的跨越,是天文學發展史上一件具有里程碑意義的大事。」國防科工局系統工程司副司長趙堅表示。

「通過對黑洞和中子星進行長期高頻次監測,理解黑洞和中子星系統的活動和演化機制是該衛星主要的科學目標之一。」硬X射線調製望遠鏡衛星系統載荷分系統專家宋黎明介紹說,黑洞是一種光都不能從其視界中逃脫出來的緻密天體,因此無法對其進行直接觀測。然而,由於黑洞引力非常強,會將氣體等一些物質聚攏到其周圍形成一個具有X射線輻射的吸積盤,在靠近中子星表面的區域,也同樣存在以X射線輻射為主的高溫、高壓、強磁場等條件。通過觀測X射線輻射的特徵,便可了解這些極端天體的性質以及其中的物理過程。

硬X射線調製望遠鏡衛星還將對銀道面、銀心和核球進行高靈敏度的寬波段X射線巡天監測,有望在國際上首次系統性地獲得銀河系內高能天體活動的動態圖景,並發現大量新的天體。

「宇宙中的天體每時每刻都在運動,忽高忽低,而銀道面上這類天體更加集中,對該區域進行掃描觀測,發現新的爆發源幾率較大,科學意義十分深遠。」宋黎明說,HXMT衛星每次的小天區掃描觀測區域為20°×20°,按照一定的間隔和速度對這個天區進行掃描觀測,再通過對觀測數據的成像計算得到天體源的位置和強度。

此外,HXMT在伽馬射線暴工作模式下,將利用其擴展到200 keV-3 MeV(兆電子伏特)能段的探測能力,獲得新的伽馬射線暴及其它爆發現象的能譜和時變觀測數據,有助於科學家更深入地理解高能劇烈爆發天體的基本屬性、研究宇宙深處大質量恆星的死亡以及中子星併合等過程中黑洞的形成。

「HXMT對硬X射線和軟伽瑪射線能段監測的接收面積,十倍於目前國際上最好的設備,是天空中這一能段最靈敏的伽馬射線暴探測器和引力波電磁對應體監測器。」硬X射線調製望遠鏡衛星系統總師馬世俊自豪地說道。

慧眼「慧」在哪裡

HXMT衛星上天之後,銀河系的星星都「逃不過」他的一雙「慧眼」,這得益於其練就的一身獨門絕技。

HXMT衛星通過探測硬X射線輻射從而了解被監測星源的相關信息。然而硬X射線成像非常困難,目前國際上主要使用的成像技術包括編碼孔徑成像和多層膜掠射望遠鏡聚焦成像技術,但它們對探測器的精度要求十分高,設計複雜、造價昂貴。

學者獨創的直接解調成像方法,是在一定的物理約束條件下直接求解原始的測量方程,可以同時獲得高的靈敏度和空間解析度。「這就使我們在採用精度較低探測器的情況下,也能通過觀測模式的精心設計以及後續數據的有效處理,得到星源的位置、能量分佈以及相關變化情況等精確信息。」宋黎明說。

直接解調成像的實現需要一個先決條件,即精確校準觀測X射線儀器的過程——標定。

HXMT衛星是對天體的X射線進行測量,需要了解天體X射線的能量、流強、方向等信息。為了準確測量這些信息,首先要清楚地掌握望遠鏡的響應函數。就像用尺子去度量某個東西,必須保證尺子的刻度是準確的。對測量儀器的校準,正如用更精確的長度標準去校準尺子一樣。

標定的過程,是用放置於標準平台上的儀器測量X射線源,記錄產生出的信號,建立入射已知信號和產生信號之間的關係,即精確獲得儀器時間響應、能量響應和空間位置函數。這樣,從望遠鏡獲得觀測數據之後,便可準確地反推出被觀測天體的X射線輻射性質。

「之前我們沒有配套的地面標定裝置,為此,在研製HXMT的同時,又投入大量精力建設了兩套大型標定裝置,順利完成了所有探測器的標定工作。」宋黎明說。

HXMT衛星另一項獨門絕技是伽馬射線暴監測能力。

「這實際上是一個無心插柳的美麗巧合。」宋黎明解釋說,最初設計該衛星時是沒有伽馬射線暴觀測模式的,但由於近幾年學術界對伽馬射線暴越來越關注,尤其是引力波的發現,使得伽馬射線暴的研究變得越發重要,因而對衛星探測儀器進行重新開發。

通過調整高能X射線望遠鏡主探測器光電倍增管的高壓,使主探測器的探測能區從20-250keV覆蓋到200 keV到3 MeV——這一能區恰恰是伽馬射線暴能量最集中的區域。如此一來,HXMT衛星在不影響原有科學目標的前提下,能對伽馬射線暴進行高靈敏度全天監測,大大提升了其科學能力。

「HXMT衛星監測伽馬射線暴的有效面積相比以往設備可提高十倍左右,能夠探測到足夠多的伽馬射線暴光子數,十分有助於我們對伽馬射線暴細緻結構的深入研究。」馬世俊告訴記者,由於引力波暴也可能產生伽馬射線暴,HXMT在搜尋引力波電磁對應體方面也具有明顯的國際競爭力。

慧眼如何練就

HXMT衛星憑藉一雙火眼金睛識辨銀河眾星源,而在苦練一身看家本領的路途上,必然經歷了重重磨難、種種艱辛。

探測技術基礎較差、少量關鍵元器件無法實現國產化、載荷研製隊伍航天工程經驗不足……HXMT衛星自2011年正式立項以來,中科院高能所的專家們就從未停止過攻堅克難的腳步。

HXMT衛星使用了很多新的探測技術,然而這些技術在國內從未有過空間飛行經歷,所需要使用的元器件也與航天規範要求之間存在不一致。「我們在處理探測技術對工作環境、元器件以及電路方面的影響時,明顯感到經驗不足。」宋黎明坦言,這就導致在研製中能和低能X射線望遠鏡的過程中做了大量重複性實驗。

既然面臨如此多的困難,為什麼還要研製這樣一顆衛星呢?當被問及這一問題時,宋黎明眼神中露出一絲堅定,「X射線無法穿透稠密的大氣層,發射X射線天文衛星是觀測天體X射線輻射的主流手段。是一個航天大國,但和發達國家相比,空間科學還很薄弱,HXMT衛星的成功發射將為空間科學的發展打開一個關鍵突破口。」

高能所專家經過多年持之以恆的不懈努力,突破了以微弱信號讀出和處理為首的多項探測技術;自主研製了幾百納米的透軟X射線遮光膜,中能、低能X射線望遠鏡探測器等關鍵元器件,打破了國外的技術封鎖。其中在低等X射線望遠鏡探測器的研發中,成功解決了低雜訊讀出問題,系統能量解析度達到國際最好水平。

此外,一雙「慧眼」的練就也與中科院高能所專家同航天人之間的精誠合作密不可分。

「缺乏航天工程和管理經驗又給我們的研製提出一道難題,這一點上航天科技集團五院(下稱『航天五院』)的專家給予了我們很大的幫助。」談到合作,宋黎明向記者講述了這樣一個故事:為了更加充分利用高能X射線望遠鏡的觀測能力,在衛星設計完成以後,高能所專家又提出了一項新的科學目標——監測伽馬射線暴。

伽馬暴觀測模式是在觀測源被擋住時啟動的,增加這一新的工作模式對衛星提出了更多的要求。首先必須知道觀測源什麼時候被遮擋,其次要控制衛星上的儀器按流程工作。

「這些都需要通過近百條事先編好的指令來完成,而原來衛星上是沒有為這些指令預留存儲的,為了實現該科學目標,我們將衛星控制中的部分指令空間讓了出來。」馬世俊說,這體現了航天五院在滿足技術可靠性的基礎上,最大限度地服務於科學需求的工作理念。

「不僅如此,航天五院的專家還親自幫助我們篩選元器件,將採購航天材料的相關經驗提供給我們。」宋黎明難掩心中感激之情。

在HXMT衛星工程研製中,航天五院承擔衛星平台的研製任務,中科院高能所負責科學目標提出、有效載荷研製以及科學數據處理和分析。

兩支前沿科學的「夢之隊」以精湛技術、精準試驗的研發理念,打造出用理論、衛星,提供給和全世界科學家使用的太空望遠鏡,以齊心協力、眾志成城的合作精神樹立了航天與科學、工程與技術完美融合的時代典範。

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