中國首顆空間X射線天文衛星發射成功！「慧眼」識黑洞？

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出品| 網易新聞學院

作者| 科學大院

中國第一顆空間X射線天文衛星——硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope）衛星於6月15日11時整成功發射。很多朋友會說這個衛星的名字「硬X射線調製望遠鏡」，包括它的英文「Hard X-ray Modulation Telescope」以及英文縮寫「HXMT」 光讀下來就比較困難，更別說理解它用來做什麼了，看來它真的是名如其星，令人感到晦澀難懂。

關於這顆衛星，你一定有很多的問題很好奇吧，下面為大家一一解答。

什麼是「硬X」射線，什麼是「調製」？

我們先從它的名字說起。

名字中的硬X射線是相對於軟X射線而言的。所謂的硬X射線就是能量比較高的電磁波（20-250 keV），具有很強的穿透能力，醫院裡人體透視檢查用的就是它。而它對應的能量較低的（約10 keV以下）的電磁波就叫作軟X射線。

硬X射線波長很短，所以很難用光學望遠鏡成像，因而對於硬X射線的探測，國際上的普遍辦法之一便是採用準直型望遠鏡對其進行探測，但是，準直型望遠鏡的缺點在於它會損失很多探測光子的信息，從而導致這種方法的探測結果精度較低。

在上個世紀90年代，中科院高能物理研究所的李惕碚院士和吳枚研究員提出了用非線性數學手段，直接對探測器陣列的掃描數據進行求解成像，這一直接解調法能夠使低分辨的非成像探測器實現高分辨成像，調製望遠鏡中的「調製」就是源自這一演算法。

HXMT衛星研究什麼？

我們的宇宙看起來神秘而安靜，其實到處都在不斷發生著各種劇烈的爆發和演化現象，有黑洞吞噬物質、恆星生命最後的壯麗焰火，以及宇宙深處最劇烈的爆發，這些高能天體物理過程都會向外輻射X射線甚至伽馬射線，所以可以通過觀測X射線和伽馬射線來研究這些天體的性質及輻射的行為。

大家都知道，所有物體都會向外輻射電磁波，電磁波根據波長可分為：射電、紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽馬射線，宇宙到達地球的電磁波，經過大氣層的阻擋，最終到達地表面的主要是可見光。由於X射線和伽馬射線無法穿透地球大氣層，所以想觀測宇宙中的各種天體的行為，只能藉助太空望遠鏡。

HXMT衛星在軌運行示意圖

今天我們發射的這顆HXMT衛星，觀測的範圍是美麗的銀河系，研究的對象主要是黑洞、中子星和伽馬射線暴等緻密天體和爆發現象。

黑洞這一早就被大眾所熟知的神秘天體，具有極強的引力場，能吞噬一切包括光線，黑洞是廣義相對論的一個預言，我們研究黑洞可以來驗證廣義相對論。由於黑洞附近的物質的密度和溫度都很高，所以產生的主要輻射是在X射線波段。事實上，天文學家發現的第一顆黑洞天鵝座X-1就是用X射線天文望遠鏡發現的。

中子星是某些恆星演化晚期發生超新星爆發的產物，密度非常高，表面磁場非常強，孤立的中子星和處於雙星系統中的中子星都可以發出強烈的X射線。對於中子星的X射線觀測，可以測量其表面磁場強度等。

伽馬射線暴是來自天空中某一方向的伽馬射線強度在短時間內突然增強，隨後又迅速減弱的現象，它是僅次於宇宙大爆炸的爆發現象；兩個緻密天體的併合除了會產生引力波也有可能產生伽馬射線暴，因此觀測伽馬射線暴是探測和研究引力波暴的電磁對應體的重要方式。

我們的HXMT衛星總重量2500kg，運行在550km、傾角43度的近地圓軌道上，設計壽命為4年，主要包括有大天區掃描、定點、小天區掃描和新增的伽馬射線暴監測的工作模式。

HXMT衛星銀河系掃描示意動畫

其上搭載了四種有效載荷：高能X射線望遠鏡（HE）、中能X射線望遠鏡（ME）、低能X射線望遠鏡（LE）和空間環境監測器（SEM）。可觀測天體1～250 keV能量範圍的X射線/硬X射線，並監測200 keV-3 MeV的硬X射線/軟伽馬射線爆發現象，是中國空間科學研究領域新的里程碑。

空間X射線和伽馬天文是國際競爭激烈的前沿領域。目前，美、歐、日、印度等國家和地區的近10台先進的X射線和伽馬射線空間觀測設備正在運行，不斷取得重大天文發現。

和發達國家相比，中國的空間科學仍然處於起步階段。與國際上的這些望遠鏡相比，HXMT衛星特色鮮明，具有獨特之處：具有大天區、大有效面積的寬波段X射線掃描巡天能力；大面積、寬波段、高時間解析度的定點觀測能力；是國際上最大面積的硬X射線/軟伽馬射線能段國際上最大面積的探測器。

HXMT的成功僅僅是一個開始

高能所在2007年的時候就提出了X射線時變與偏振探測衛星（XTP），作為HXMT的後續任務。目前XTP項目已經吸引到了來自歐、美、日的將近20個發達國家的參與和支持，有望成為有史以來中國發起並領導的由最多發達國家實質性貢獻的大型國際合作科學項目。

eXTP衛星運行示意圖

eXTP作為X射線波段國際領先的大型空間天文台，它的科學目標是「一奇（黑洞）、二星（中子星、夸克星）、三極端（極端引力、極端密度、極端磁場）」，也就是在極端引力、極端密度、極端磁場下，檢驗和發展黑洞和中子星的基本物理規律，它能夠對一批黑洞和中子星的參數做出精確測量，將在解決一系列極端引力、極端磁場和極端能量（密度）等基礎物理問題方面做出突破性貢獻，使中國在空間X射線天文學和相關基礎物理的研究進入國際領先行列。

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