送一個X射線天文台上天，厲害了，我的「慧眼」！

拉到最後還有火箭發射動圖哦！

攝影：全曉書

「慧眼」發射現場，成功升空！攝影：吳歐

「慧眼」上天了！這枚歷經20多年，自主研發的硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT），也是首枚太空望遠鏡。

「慧眼」這個名字，是向高能物理領域傑出的女科學家，天體物理學奠基人之一，何澤慧先生致敬，也飽含著HXMT團隊對未來的期望——期望藉助這隻「慧眼」，穿過星際迷塵的遮擋，去探尋那些深藏在宇宙深處，「寂靜」黑暗中的秘密。

剛剛升空的「慧眼」，將為我們展現出那個潛伏在靜謐星空中，熾熱暴躁的高能宇宙。供圖：「慧眼」項目組

在遠離城市的晴好夜空，有安詳的夜色，有靜謐的繁星。偶爾，也會有劃過的流星。總是寧靜溫柔的夜空。凝望這片寂靜的深邃，你看不到，在黑暗裡，還隱藏著一個狂躁、熾熱的宇宙。

公元185年，天空中突然閃耀出一顆星星，彗星般明亮，卻一動不動，在夜空中掛了8個月的時間。

公元1006年，幾乎整個北半球的人都發現夜空中多出了一顆星星。天文學家推測，在那一年的春天，人們甚至可以藉助這顆星星的光芒在半夜讀書。

這是一千多年前就被記錄下來的兩次超新星爆發。《後漢書》和《宋史》中分別寫著「大如半筵，五色喜怒」，「煌煌然可以鑒物」。

再稍晚些，1054年，那次出現在金牛座天區，被稱作「天關客星」的超新星大爆炸，還留下了絢爛多彩的蟹狀星雲……

1054年， 在《續資治通鑒長篇》中，宋朝的天文學家也記載了一次超新星爆發。蟹狀星雲就是這次大爆炸的產物 。圖源：Wikipedia

宇宙中幾乎每天都發生著這樣的「大事件」。然而，在望遠鏡出現之前，得到證實的超新星記錄，只有7次。即便是算上那些還沒有被證實的疑似記錄，2000年間，也不過20次。

是望遠鏡的出現，讓人類的目力所及，從銀河系拓展到了更遠的其他星系。天文學家對望遠鏡的追求，也再沒停止過——要更強、更大、更清晰，還要架進太空，繞開大氣層的阻礙。於是，有了FAST，有了哈勃，有了剛剛睜開的「慧眼」。

超新星爆發之後的殘骸可能是中子星，也可能是黑洞。銀河系裡就有為數眾多的中子星和黑洞。但它們有的被厚厚的塵埃所遮擋，有的根本就不會發出可見光。普通的可見光望遠鏡都看不到它們的影子，需要在X射線波段觀察才能發現。

X射線和可見光一樣，本質上都是電磁波，都具有波粒二象性，只是波長與能量不同，所以在傳播的過程當中顯現出來的性質也有所不同。X射線因為波長極短，能量又很高，在傳播的時候更接近粒子。當我們把一台普通的光學望遠鏡對準X射線天體的時候，X射線不會像可見光那樣在鏡面上發生反射或折射，而會像一粒粒「炮彈」直挺挺打進水塘里一樣，就被吸收了。因此，使用普通的光學望遠鏡，也就無法獲得天體的X射線圖像。

能量越高，「炮彈」的速度就越快，X射線也就越「硬」。按照科學家的傳統劃分，能量在20千電子伏（keV）以上的X射線，就被稱為硬X射線；能量在10 keV以下的，就被稱為軟X射線。

不同波段的X射線、紅外線，以及可見光混合在一起的開普勒超新星殘骸照片。圖源：Wikipedia

為了能看到天體的X射線圖像，科學家們想到的第一個方法是讓望遠鏡的鏡片儘可能的光滑，然後讓X射線像打水漂一樣發生反射。1999年美國國家航空航天局（NASA）發射的錢德拉X射線天文望遠鏡（Chandra X-ray Observatory）能實現能量在10keV以下的軟X射線聚焦成像。錢德拉的鏡面有多平滑呢？如果把這個鏡面放大到地球一樣大小，按照鏡面的粗糙程度來計算，這個「地球」上最高的山峰只有不到2米高。

不過，這麼平滑的鏡面也無法讓硬X射線聚焦成像。硬X射線的能量實在太高了。用大炮打水漂。

直到2012年，美國發射的NuSTAR衛星（Nuclear Spectroscopic Telescope Array）才以世所罕見的製造工藝實現了硬X射線聚焦成像，將能夠成像的能量範圍推高到了79 keV。NuSTAR的鏡面由高密度材料和低密度材料反覆重疊200層左右鍍成，每層的厚度和表面粗糙度都達到了原子量級。

NuSTAR鏡面的製造難度，對一個國家的工業水平有極高的要求，國內至今還無法製造出如此光滑的鏡面。於是，的科學家就另闢蹊徑，提出了直接調製成像法。用演算法，彌補了製造工藝的不足。

所謂調製，就是掃描。上世紀90年代初，中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吳枚研究員在不斷探索中找到了一種新的演算法，即使無法實現聚焦，仍然可以非常有效地把調製后的信號還原成圖像，這種方法就被稱作直接解調技術。李惕碚院士把這種圖像處理技術與掃描探測技術結合在一起，很快便提出了硬X射線調製望遠鏡的概念——通過對X射線源的成像觀測，以簡單成熟的方法，得到天圖，彌補製造技術上的缺陷。這就是今天「慧眼」的核心基礎。

「慧眼」雖然沿用了「硬X射線調製望遠鏡」的名字，但它的本領早已超出了對硬X射線的觀測與成像。

「直接調製技術在當時是非常好的一種辦法。然而，從1993年提出想法到2011年真正立項，十八年過去了，科學前沿的發展以及X射線探測技術都有了較大的變化，所以，我們也對這顆衛星的研究目標和手段進行了調整。」HXMT首席科學家張雙南解釋說。

研製團隊給「慧眼」加上了低能和中能X射線探測器，把望遠鏡能夠覆蓋的觀測能區範圍擴大到1keV-250keV。

中科院高能物理所用於檢測、調試「慧眼」電氣性能的1:1測試模型。它搭載著與「慧眼」一模一樣的觀測儀器。照片中的「平台」上面，左邊的方盒子是低能（軟）X射線探測器；右邊的方盒子是中能X射線探測器；平台中央則呈蜂窩狀分佈著18個高能（硬）X射線探測器。攝影：婉珺

「慧眼」因為沒有鏡面，不受製造工藝的限制，所以探測面積很大，能觀測到更多的信號，也就有可能看到其他望遠鏡看不到的現象。用項目組青年科學家熊少林的話說：「對於同樣能被觀測到的源，你探測到的光子數少，而我探測到的光子數多，我就會比你發現更多的特性。」

「慧眼」的探測視場也比鏡面望遠鏡大，可以在兩天左右時間內完成銀道面的掃描。「天空中有很多暫現源，毫無徵兆地就爆發了，又會毫無徵兆地消失。掃描觀測可以進行有效監測，比較容易發現這些暫現源。」熊少林說，「對於一個已知源，當然也有可能取得新發現。但對於一個新的源，新發現的概率更大，甚至是全新的聞所未聞的現象。」

「慧眼」也不怕盯著強光。「聚焦型望遠鏡不適合觀測強源，因為它會把所有X射線的光子都聚到一點上，曝光量過大，所以一看太亮的源，就白茫茫一片。我們是准直型望遠鏡，可以把光子分散開，堆積率很低，所以看多亮的源，都不會晃瞎眼。」「慧眼」的軟X射線探測器主任設計師陳勇說。

這18個「黑盤子」就是「慧眼」的硬X射線探測器，覆蓋了20keV-250keV的觀測能區範圍，將主要用於探測黑洞和中子星。圖片來源：果殼視頻

「慧眼」還有比其他探測器短得多的「死時間」，也就是快速連續處理光子信號的能力。「我們專門為此進行了特殊設計，來縮短『死時間』。雖然我們的高能探測器是世界上面積最大的，但是它的『死時間』比別的探測器要短得多，我們丟失的光子也會比別的探測器少得多，探測到的信號也更多更準確。這對於幫助我們最終搞清楚X射線天體的輻射機制是非常有幫助的。」「慧眼」的硬X射線探測器主任設計師劉聰展說。

不僅如此，衛星首席科學家張雙南還創造性的「變廢為寶」，對衛星上原本用於屏蔽干擾粒子的探測器稍加調整，把「慧眼」變成了目前世界上面積最大，靈敏度也最好的伽瑪暴探測器。而且，因為是「變廢為寶」，「慧眼」在觀測伽瑪暴的時候都不需要正對著目標源。

「以前沒有自己的太空望遠鏡，分析研究都得用國外的衛星數據。」

「用人家的二手數據，就像是撿漏。要想從中有發現，就要花費很多時間精力，尋找與別人不同的角度。」

「好的科學成果人家都做完了，我們只能去他們的歷史資料庫中發掘。」

……

研究只能依靠別人的數據和儀器，讓每一位相關的天文學家都很難受。 20多年間，所有的創造力，為的，就只是讓我們擁有自己的「慧眼」，去看見那個潛伏在星空中極端熾熱的高能宇宙，看見繁星不斷上演的生死故事，還有那些宇宙中稍縱即逝的驚鴻一瞬。

「我們將用『慧眼』對銀河系進行非常詳細的大天區掃描巡天，預期會發現一些新的黑洞活動，使我們可以研究的黑洞和中子星對象大大增加，也會帶動地面上光學、射電望遠鏡對這些天體的觀測。」HXMT首席科學家張雙南說：「科學家對黑洞、中子星、伽馬暴的很多基本情況還不清楚，我們只是確定了一些天體是黑洞、中子星。黑洞是廣義相對論預言的天體，發現黑洞證明廣義相對論是成立的。但要想進一步研究廣義相對論的細節，研究它是不是在所有情況下都成立，就得在各種條件下進行檢驗。黑洞附近的引力是宇宙中最強的。在黑洞附近能夠更好地檢驗廣義相對論。所以我們要在黑洞附件進行觀測，看觀測結果與廣義相對論的計算是否相符。這是我們想做的研究。」

閃耀的雙星

宇宙中最明亮的X射線源，是銀河系中包含有黑洞或中子星等緻密天體的X射線雙星。它們大部分都是變源，因此觀測它們的光度隨時間的變化（時變）非常重要。由於聚焦型望遠鏡觀測亮度很高的源時信號容易飽和，所以聚焦型望遠鏡很難對亮度很高的源做詳細的研究。而「慧眼」沒有鏡頭，信號不會飽和，探測器面積還很大，可以對亮的源做非常細緻的研究，能夠觀測到亞毫秒級的時變。

在X射線雙星里，緻密星吸積伴星物質，強大的引力勢能轉化為輻射能釋放出來，就產生了X射線。但其中許多具體細節仍有未解之處，比如吸積是如何進行的，X射線耀發時究竟發生了什麼？

在吸積盤上越是靠近緻密星，物質運動得越快，溫度越高，產生的X射線能量也就越高。用「慧眼」觀察吸積盤不同能段的時變，就能夠比較全面地掌握吸積盤的結構信息。從中就能理解在最極端的引力場中，物理規律將以何種面貌表現，進而掌握黑洞自轉情況等科學信息。

狂暴的黑洞

黑洞有時很冷靜，有時脾氣很暴躁。如果一個黑洞什麼都不幹，誰也看不見它。但是當周圍有點東西在往黑洞里落的時候，跑得越來越快的物質會造成氣體密度越來越高，溫度也越來越高，於是就會產生X射線。物質的質量或結構不同，就會產生不同的X射線。通過這些X射線，科學家就能了解黑洞的性質。

不同的黑洞周圍的物質分佈是不同的，物質如何掉進黑洞的表現也不一樣。有時候黑洞會非常暴躁，物質落的速度非常快，最極端的現象就是產生伽馬射線暴——因為落入黑洞的物質太多而產生了極端相對論噴流。

當黑洞處於很暴躁的狀態，它產生的X射線流強特別高。國外的X射線觀測衛星可以非常靈敏，但是適合看弱光，遇到X射線特彆強時信號就會飽和了。比如錢德拉X射線望遠鏡就適合看安靜的黑洞。而「慧眼」在有些能段的有效探測面積是有史以來最大的，雖然它不能聚焦，但是特別適合觀察暴躁的黑洞和中子星。

張雙南說：「我們對銀河系的掃描也是要看黑洞的脾氣到底怎麼樣，因為以前只知道有些黑洞突然就發脾氣了，但為什麼，我們不知道，因為還沒有對它們進行長時間的研究。所以我們希望對銀河系、銀道面的黑洞和中子星做比較詳細的普查，有的黑洞也許每年發脾氣三次，有的可能四年發一次脾氣，或者每次發脾氣的程度不一樣，到底是什麼原因造成的，我們就想了解這些情況。」

「慧眼」項目首席科學家張雙南給果殼網主筆Steed講解「慧眼」搭載的主要探測儀器。圖片來源：果殼視頻

脈衝星的脈象

脈衝星是極端物理的天然實驗室。脈衝星同時具有超強的引力場、電磁場（強度甚至可達地球磁場的上千億倍）和核密度。引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力，這四種基本力在這裡都處於極端條件之下。

科學家並不知道中子星的內部是什麼，只有理論預言，說恆星的演化會形成這樣一種天體，裡面的物質主要是以中子為主。後來人類發現了脈衝星，認為脈衝星就是中子星。一顆中子星的質量是太陽的1.5倍，直徑10公里，密度跟一個原子核的密度差不多。

現在物理理論還不能很好地描述這種狀態下的物質，因為地球上的實驗室達不到這樣的密度。因而我們只能通過觀測，提出各種理論模型。脈衝星的脈衝是怎麼來的？脈衝星周圍的磁場有事怎麼來的？脈衝星的輻射機制是什麼？脈衝星的能量又從哪來？這些問題，都等著慧眼的支持，來推動研究的發展。

伽瑪暴和引力波

伽馬射線是能量最強的電磁輻射，它在星空中的耀發預示著宇宙中最極端的事件。但科學家對伽瑪暴也只有一個大致的圖像。伽瑪暴的能量是怎麼釋放出來的？又是怎麼以幾乎光速的噴流把大量物質拋射出來的？這些細節，都不清楚。

通過伽馬暴可以研究恆星、星系和宇宙三個層次上的物理現象和規律，近年來一直都是天文領域的熱點。伽瑪暴與引力波也有聯繫。目前普遍認為持續時間較短的一類伽馬暴是由兩顆緻密星併合產生的，包括兩顆中子星或者一顆中子星和一個黑洞。恰恰這種雙緻密星併合也能產生強烈的引力波信號，是LIGO等引力波探測器的主要探測目標。換句話說，伽馬暴很可能是雙緻密星併合產生的引力波事件的電磁對應體。

「引力波已經探測到好幾個了，但是沒有一個找到對應天體。我們做天體物理研究的知道，如果只在一個波段觀測，往往信息是不完整的，所以我們非常希望看到引力波產生的時候也有X射線、伽馬射線或其他波段的信號，因為這些我們已經熟識的電磁波信號能夠幫助我們更好的認識引力波。」 張雙南期望，通過「慧眼」的追蹤，能夠建立起伽瑪暴與引力波之間的聯繫。

大胃王和更多的秘密

至今為止，幾乎所有已發現的星系的中心，都存在一個質量約為太陽數百萬，甚至數十億倍的巨大黑洞，通過無比強大的引力大量吸積周圍的氣體和塵埃。這些大麥克「吃」得太快太多也會「打嗝」——多餘的物質會轉化為兩道垂直於吸積盤的噴流。極端高速的噴流，和最靠近黑洞視界的熾熱物質就會產生明亮的X射線輻射，足以穿透數十億光年的距離 。

這些大麥克都是星系形成與演化過程中的重要環節。然而科學家對它們的形成與成長都知之甚少。通過「慧眼」，科學家將能夠穿越重重塵埃的遮擋，看到活動星系核最為核心的黑洞視界附近，了解那些超強引力場的秘密。

……

有太多秘密還隱藏在那片未知的宇宙當中。「慧眼「就像一座太空中的天文台，讓科學家能夠望向那片未知，能探索未知的奧秘。這當然只是天文學家邁向太空的一小步，但也許，也是最重要的一步。因為這一步，他們邁進了那片「屬於自己的」未知的宇宙。

「我希望我現在預言的重要成果都說錯了，」張雙南說，「那就說明，『慧眼』看到了更重要的秘密。」

「慧眼」上天啦~~~ 供圖：張雙南

編輯：吳歐

排版：小米

題圖來源：「慧眼」項目組

本文由微信公眾號「科學人」（ID：scientific_guokr）授權轉載

編輯：huashan

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