中國首顆硬X射線調製望遠鏡衛星:這顆「慧眼」將看穿一切 |漲知識
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關於「慧眼」衛星
2017年6月15日,中國首顆硬X射線調製望遠鏡衛星(Hard X-ray Modulation Telescope,簡稱HXMT)發射升空,她的名字叫「慧眼」。從此,國際天文望遠鏡衛星俱樂部裡面,就有了中國的身影,中國在空間高能天體物理領域沒有自主資料的尷尬歷史將結束。

2008年,HXMT的立項遇到瓶頸,中科院院士何澤慧挺身而出,兩次致信溫家寶總理,強烈呼籲關注HXMT專案。2011年,項目正式成立。六年後,衛星成功發射。


一、狼心山
在酒泉衛星發射中心技術區的後邊,有一座狼心山。據旅者描述,狼心山外形酷似一顆狼的心臟,顯得格外孤傲而剛強。山上無植被,常年大風呼嘯,有雄鷹盤旋。離山不遠處是黑河,再遠處約五公里,便是中國目前唯一的載人航太發射塔。

相傳在狼心山上能撿到瑪瑙,當地的司機也這麼對「慧眼」的技術人員說。所以,有人便趁著工作的空閒,興致盎然地去山上尋寶。其實,多年來前去尋寶的人絡繹不絕,然而最後絕大多數人采回來的,不過是幾塊漂亮的石頭,真正有價值的寥寥無幾。
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從上世紀六十年代開始到現在,地球向太空發射了百余顆空間天文探測衛星,但沒有一顆屬於中國。從衛星傳回來的信號,能夠提供給國人使用的數據,往往是滯後若干年的東西,國人只能在別人挑剩的石頭裡尋找瑪瑙。而且,還不能說是自己的,數據都要標注出處。

二、遊戲的最難模式
許多遊戲一開始的畫面,是給玩家選擇難度:Easy – Normal – Hard。作為中國第一顆天文台級別的空間天文探測衛星,科學家們和衛星工作單位該如何選擇這次非一般遊戲的難度呢?
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從一開始,「慧眼」的研製就被設置為Hard模式。「絕對不能降低難度,天文探測必須在國際上佔據前沿位置。」一位年長的參與衛星研製的老師如是說。與應用衛星不同,空間科學探測作為前沿科學研究必須是最超前的。
為此,衛星研製團隊對衛星的總體設計方案進行了顛覆性的修改,在難度上主動增加砝碼。這顆衛星與同類衛星相比有個明顯的優勢——探測波段寬,利用高能、中能、低能三種探測器,實現了1-250千電子伏特的全覆蓋,還可以擴展到3兆電子伏特伽馬暴探測。更難的是,為了保證有效載荷探測精度,必須將高能、中能、低能探測器均集中安裝在同一個支撐結構上,但是三個有效載荷對溫度的要求各異,指標要求最大相差達80多度。
做個形象的比喻吧。大家都知道大象塞進冰箱的三步驟:打開冰箱、塞進去、關門,這種情況下,大象感知的溫度是同一個。現在,大象不高興了,它要求身體不同部位要有不同的溫度……OK,為了讓大象心情愉悅,許多聽起來十分酷炫的「黑科技」應運而生:多級隔熱措施、深冷熱管技術、梯度溫度加熱技術等,還有一頂好看的太陽帽——遮陽板。

衛星研製現場
有效載荷是一顆衛星的靈魂。「慧眼」的有效載荷凝結了國內眾科學家和工作人員近三十年的心血,從理論到實驗室再到工程實現,整個過程異常艱難。總之,「所有想到的、想不到的問題都出現了。」真是拼了。
有人問:「假如一萬個萬一,衛星沒有成功,還會有備份星嗎?」
老專家哽咽道:「沒有了,就這一次這一顆星了。太難了,太難了。」

「慧眼」研發團隊

三、身懷絕技
「慧眼」是中國自主研製的首顆X射線天文衛星,是中國科學院空間先導專項的第四顆星。它能夠進行寬波段大天區X射線巡天成像,具有獨特的觀測黑洞、中子星等高能天體多波段X射線快速光變的能力,並可以監視天空的高能爆發現象。
「慧眼」的在軌觀測將大大加深天體上的劇烈爆發過程、中子星強磁場合黑洞強引力場中的動力學、高能輻射過程的認識。

「慧眼」上天之後要做的工作(圖片:中科院)
「慧眼」趕在美國NASA「超越愛因斯坦計畫」黑洞發現者上天之前上天,成為地球發現黑洞的重要裝置,是2020年前世界主打的數據來源。甫一亮相,「慧眼」就得到廣泛的國際關注,這已經足夠我們驕傲一下的了。
「慧眼」身披光環,凝聚眾人多年的心血,那麼,它到底厲害在哪?它能與蜚聲國際的哈勃、錢德拉一較高下麼?我們來看下「慧眼」的絕活兒。
絕活1:寬波段大天區X射線巡天
解釋:一般的聚焦X射線望遠鏡視場很小,只能盯著一小塊天空區域,但「慧眼」採用的是直接調解成像方法,可以用非聚焦的准直型望遠鏡對某個較大範圍的天區進行掃描成像,將實現大天區、大有效面積的寬波段的X射線巡天。
絕活2:很強的定點觀測能力
解釋:「慧眼」研究單個目標天體是一把好手。比如物質掉入黑洞的過程,物質掉入黑洞時會發出X射線,且越接近黑洞,釋放的X射線能量越高,這樣的動態過程裡,「慧眼」可以觀測到物質在整個掉落過程中發生的寬波段X射線流量和光譜變化,以此來瞭解黑洞吸引物質的物理過程。
絕活3:新的伽馬射線暴觀測模式
解釋:伽馬射線暴是僅次於宇宙大爆炸的爆發現象,它可能是兩顆鄰近的緻密星體(黑洞或中子星)合併而產生的。「慧眼」在沒有改動衛星硬件的情況下,用了一個十分巧妙的辦法,使其成為硬X射線/軟伽馬射線能區目前最靈敏的伽馬射線暴探測器。
絕活4:能夠適應極端條件
解釋:「慧眼」採用了精湛的設計和製造技術,高可靠、高穩定、高安全;這是最成熟的遙感衛星平台之一,已成功應用于十余顆衛星,無論是承載能力、載荷安裝方式還是穩定性,都有很強的任務適應能力,能夠在各種極端條件下順利執行任務。

四、不受障礙,如實知見
慧眼,這是一個佛教用語。慧眼乃五眼之一,是不受無名障礙,如實知見的能力。
硬X衛星「慧眼」誕生於中國航太三大里程碑的誕生地:航太科技集團公司五院,是響噹噹如假包換的中國製造。「慧眼」是世界上同類衛星中工作模式最多、擁有原創反演成像技術、同類探測器中探測面積最大的星探,體現國際一流水準。
「慧眼」將使中國首次具有自主獲取空間高能天體原始觀測數據的能力。按照國際慣例,它所獲得的數據將為我國科學家優先使用。在我國科學家專項應用一年之後,這些數據同時將向全世界開放,以促進世界空間科學研究的發展。
這顆意義非凡的衛星,取名「慧眼」,寓意正佳。它將在宇宙,看穿一切。而我們需要做的,只是在生活著的地球上,靜候佳音。
編輯、整理/知識傳媒:Erik Li
圖/由航太科技集團公司五院提供、網絡
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