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干货整理 被我国首颗X射线天文卫星HXMT的内容刷屏了?别怕有关这颗卫星技术

  原标题:干货整理 被我国首颗X射线天文卫星HXMT的内容刷屏了?别怕,有关这颗卫星的知识都在这里了

  2017年6月15日11时00分,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”,这是我国首颗大型X射线天文卫星。

  这颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星由中国科学院高能物理研究所和航天科技集团五院等单位研制,用以研究黑洞、中子星等高能致密天体的基本物理性质以及对周围时空的影响。

  具体来说,HXMT卫星的科学目的是什么?它的观测过程是怎样的?与其它天文卫星相比有什么特点和突破?未来会有哪些科研发现?就让我们来听听中科院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、中科院粒子天体物理重点实验室主任、HXMT卫星首席科学家张双南研究员是怎么说的吧!

  中科院高能物理研究所研究员、中科院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、中科院粒子天体物理重点实验室主任、HXMT卫星首席科学家张双南

  张双南研究员介绍说,HXMT卫星目的就是接收来自天体的X射线,当然这种天体可以是中子星,也可以是黑洞。我们主要是希望寻找一些以前不知道的黑洞和中子星,同时,对已经知道的也进行观测和研究,目的是用来拓展我们对于黑洞和中子星的知识。

  在宇宙中,当物质被致密天体的引力俘获后,会以螺旋运动掉向中心天体,速度越来越快,温度越来越高,最后会发出强烈的、比一般X射线能量高的硬X射线。

  虽然X射线穿透能力比较强,但也不能穿透地球大气,所以我们必须要到地球大气层以外才有可能探测到来自天体的X射线。

  早在20世纪70年代,中国就已经开始了X射线天文观测。中科院高能所利用高空气球搭载X射线公里高空对X射线脉冲星、黑洞等类型的天体进行了观测研究,HXMT卫星正是在气球实验的基础上提出和研制的。

  为了完成这样的一个科学装置,科学家们前前后后共努力了差不多20年的时间,克服了各方面出现的困难,最终才走到了今天。

  第一,项目经验不足。在HXMT卫星之前,我们国家没有真正做过天文望远镜,尤其是空间天文望远镜,对如何推动项目发展,经验不足。

  第二,经费不足。以前我们的科研投入量比较小,但近几年随着经济的发展,经费逐渐能满足需求,可以支持HXMT卫星的研制建造。

  第三,人才不足。在人才队伍方面,虽然我们国家有航天队伍,但研究空间、天文仪器的队伍非常小,不适应这么大型的X射线卫星的研制。

  第四,技术要求高。因为这个望远镜的设计思路非常创新,用了很多新的空间仪器的技术,我们需要自己研发,之后按照航天要求把它研制出来,这个过程非常复杂。

  张双南老师介绍,空间天文望远镜实际上开创了人类探索宇宙的一个窗口。人类在开创了这个领域之后,人类就发射了各种各样的天文卫星,也包括我们很熟悉的哈勃天文卫星,所以人类对宇宙的探索是不会停止的,会一直进行的。

  中国是一个航天大国,世界上其他航天大国在利用航天来做科学研究方面都做了非常多的事情,而我们国家在这方面做得比较少,硬X射线调制望远镜是比较自然地进入空间开展基础研究的一个领域,所以就选择了这个领域作为突破口。

  张双南老师具体解释说,首先,这个X射线的仪器覆盖的范围是比较广的,覆盖从1kev到300kev左右,有基本上300倍的能量覆盖的范围,如果再加上对伽马射线个kev,覆盖的范围就有3000倍,很少有这样一个卫星能有这样宽的光子覆盖范围。

  另外,就是涉及到的仪器,我们仪器的几何面积是比较大的。比如,高能段仪器的几何面积达到了5000平方厘米,这是在这个能量段最大的面积。

  此外,望远镜的视场是比较宽的,它适合做一些天体物理的研究。比如,我们将会对中子星和黑洞进行非常高统计量、高波段的研究,这是以前的天文望远镜或者X射线望远镜比较难做到的。由于视场相对比较宽,面积又比较大,这样我们对于银河系内的一些比较弱的源变化就会比较敏感,所以我们会对银河系进行巡天的工作,来搜寻银河系内有多少像这样的比较暗弱、随时间变化的天体,这对我们理解银河系内的中子星和黑洞都是非常重要的。

  它和其它望远镜不同,并不是说它比其它的望远镜好,而是指在某些方面我们有自己的特色,在这些方面我们能够做得好一些,所以我们的科学观测也就围绕着优势进行。

  HXMT卫星的观测主要是有三种模式。简单的说就是,扫描巡天模式、定点观测的模式和伽马射线暴监测模式。

  首先,扫描巡天模式。我们预测银河系里有很多中子星和黑洞,但是它们在哪里,都是什么样子的,很多都还没有发现,所以这个卫星会对银河系进行扫描和巡天的工作;

  其次,定向观测模式。我们已经知道了一些天体源,或者通过巡天发现的天体源,我们会用望远镜指向它,这就叫做定向观测;

  最后,伽马射线暴监测模式。这相当于守株待兔的模式,如果有一些非常强烈的伽马射线暴被发现,仪器就会监测到这个高流量的信号到达,我们会来提供一个警报来进行后续的观测等等。

  对于这三种模式,张双南老师举了一个很形象的例子,“就像有一个男生,在广场发现有美女,他就很仔细地在茫茫人海当中想找到一个美女,找到之后,他会仔细地盯着这个美女去欣赏,这相当于我们的第二种模式,定向观测。然后还有可能某个地方出现了某个女神、某个电影明星,她引起了轰动,他立刻转过去盯着这个女神看,所以这样有一点像这三种过程,扫描以及定向和监测的过程。”

  第三,我们有可能会对中子星和黑洞的基本的性质,比如中子星的磁场和中子星的质量、黑洞的质量和黑洞的自转等做出新的测量,也可以了解它们为什么会有各种各样的活动性;

  第四,对宇宙进行“监视”,我们预期每年能发现几十个到几百个伽马射线暴,当然如果有些伽马射线暴将来能和引力波事件建立关系,将会成为比较重要的进展。

  同时,必须指出,科学研究中不乏意外的收获,我们也十分期待HXMT能带给我们意外的惊喜。

  很多人觉得这个卫星的名字“硬X射线调制望远镜”,包括它的英文“Hard X-ray Modulation Telescope”以及英文缩写“HXMT” 光读下来就比较困难,更别说理解它用来做什么了,看来它真的是名如其星,令人感到晦涩难懂。

  名字中的硬X射线是相对于软X射线而言的。所谓的硬X射线就是能量比较高的电磁波(20-250 keV),具有很强的穿透能力,医院里人体透视检查用的就是它。而它对应的能量较低的(约10 keV以下)的电磁波就叫作软X射线。

  硬X射线波长很短,所以很难用光学望远镜成像,因而对于硬X射线的探测,国际上的普遍办法之一便是采用准直型望远镜对其进行探测,但是,准直型望远镜的缺点在于它会损失很多探测光子的信息,从而导致这种方法的探测结果精度较低。

  在上个世纪90年代,中科院高能物理研究所的李惕碚院士和吴枚研究员提出了用非线性数学手段,直接对探测器阵列的扫描数据进行求解成像,这一直接解调法能够使低分辨的非成像探测器实现高分辨成像,调制望远镜中的“调制”就是源自这一算法。

  为了解决硬X射线调制望远镜卫星读起来绕口这一问题,HXMT科学家团队可谓煞费苦心,在面向社会广泛征名的情况下,他们最终为其酝酿了一个好听的名字叫做“慧眼”,英文名字“Insight”。

  这个名字也代表了HXMT科学家团队的心愿——用来纪念我国高能天体物理奠基人之一何泽慧院士,希望这架空间望远镜能如她的眼睛一样,寻找高能天体的美丽风景。同时也期冀HXMT卫星慧眼如炬,能穿过星际物质的遮挡发现黑洞,探索极端宇宙的内在美。

  我们的宇宙看起来神秘而安静,其实到处都在不断发生着各种剧烈的爆发和演化现象,有黑洞吞噬物质、恒星生命最后的壮丽焰火,以及宇宙深处最剧烈的爆发,这些高能天体物理过程都会向外辐射X射线甚至伽马射线,所以可以通过观测X射线和伽马射线来研究这些天体的性质及辐射的行为。

  大家都知道,所有物体都会向外辐射电磁波,电磁波根据波长可分为:射电、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线,宇宙到达地球的电磁波,经过大气层的阻挡,最终到达地表面的主要是可见光。由于X射线和伽马射线无法穿透地球大气层,所以想观测宇宙中的各种天体的行为,只能借助太空望远镜。

  今天我们发射的这颗HXMT卫星,观测的范围是美丽的银河系,研究的对象主要是黑洞、中子星和伽马射线暴等致密天体和爆发现象。

  黑洞这一早就被大众所熟知的神秘天体,具有极强的引力场,能吞噬一切包括光线,黑洞是广义相对论的一个预言,我们研究黑洞可以来验证广义相对论。由于黑洞附近的物质的密度和温度都很高,所以产生的主要辐射是在X射线波段。事实上,天文学家发现的第一颗黑洞天鹅座X-1就是用X射线天文望远镜发现的。

  中子星是某些恒星演化晚期发生超新星爆发的产物,密度非常高,表面磁场非常强,孤立的中子星和处于双星系统中的中子星都可以发出强烈的X射线。对于中子星的X射线观测,可以测量其表面磁场强度等。

  伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,它是仅次于宇宙大爆炸的爆发现象;两个致密天体的并合除了会产生引力波也有可能产生伽马射线暴,因此观测伽马射线暴是探测和研究引力波暴的电磁对应体的重要方式。

  我们的HXMT卫星总重量2500kg,运行在550km、倾角43度的近地圆轨道上,设计寿命为4年,主要包括有大天区扫描、定点、小天区扫描和新增的伽马射线暴监测的工作模式。

  其上搭载了四种有效载荷:高能X射线望远镜(HE)、中能X射线望远镜(ME)、低能X射线望远镜(LE)和空间环境监测器(SEM)。可观测天体1~250 keV能量范围的X射线 MeV的硬X射线/软伽马射线爆发现象,是我国空间科学研究领域新的里程碑。

  空间X射线和伽马天文是国际竞争激烈的前沿领域。目前,美、欧、日、印度等国家和地区的近10台先进的X射线和伽马射线空间观测设备正在运行,不断取得重大天文发现。

  和发达国家相比,我国的空间科学仍然处于起步阶段。与国际上的这些望远镜相比,HXMT卫星特色鲜明,具有独特之处:具有大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天能力;大面积、宽波段、高时间分辨率的定点观测能力;是国际上最大面积的硬X射线/软伽马射线能段国际上最大面积的探测器。

  从HXMT卫星提出到立项花了将近20年的时间,这一任务来之不易,实现了老、中、青科学家建造属于我国自己空间天文卫星的理想,HXMT卫星研制团队对于这颗卫星的感情犹如对自己的子女一般,很难用言语表达。

  她的发射如美丽的小仙女飞天一般,巡视银河、捕捉黑洞的X射线信号、对发出脉冲的中子星进行号脉、监测来自宇宙深处的伽马射线暴,没错,我们给她起了个昵称“小仙女”,以表达HXMT研制团队对她的喜爱和美好祝愿。

  HXMT卫星在轨运行成功后预期能取得重要原创性的科学成果,如发现新的黑洞和中子星;可以对于黑洞、中子星的性质如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解它们为什么有各种各样的活动性;以及预期每年能看到上百个伽马射线暴,等等。

  高能所在2007年的时候就提出了X射线时变与偏振探测卫星(XTP),作为HXMT的后续任务。目前XTP项目已经吸引到了来自欧、美、日的将近20个发达国家的参与和支持,有望成为有史以来中国发起并领导的由最多发达国家实质性贡献的大型国际合作科学项目。

  eXTP作为X射线波段国际领先的大型空间天文台,它的科学目标是“一奇(黑洞)、二星(中子星、夸克星)、三极端(极端引力、极端密度、极端磁场)”,也就是在极端引力、极端密度、极端磁场下,检验和发展黑洞和中子星的基本物理规律,它能够对一批黑洞和中子星的参数做出精确测量,将在解决一系列极端引力、极端磁场和极端能量(密度)等基础物理问题方面做出突破性贡献,使我国在空间X射线天文学和相关基础物理的研究进入国际领先行列。

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