了不起：中國人在太空有了一雙「天眼」

6月15日11點，我國成功發射了「慧眼」硬X射線調製望遠鏡。這是我國首個空間望遠鏡，可實現我國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。

「慧眼」硬X射線調製望遠鏡飛行示意圖

空間望遠鏡有哪些與眾不同之處？

眾所周知，空間望遠鏡相當於把天文觀測台搬到太空中，所以可輕而易舉地改變了以往坐地觀地、坐地觀天的傳統，擺脫大氣層對天文觀測的影響，在全頻段範圍內對宇宙空間進行詳細的觀測，對人類科學認識宇宙有革命性地推動。

與其他人造地球衛星相比，空間望遠鏡有一些與眾不同之處，比如：其指向精度要求很高，一般用太陽或者恆星作為指向的基準；對其結構要求也很高，這是與其指向精度要求相關的一項要求；其上的觀測儀器複雜，有的還需要在超低溫的狀態下才能可靠工作；空間望遠鏡的觀測數據量一般很大。

宇宙中的萬物每時每刻都在不斷向空間輻射電磁波。由於各種天體的性質和特點不同，所以它們所輻射的電磁波也不同。

空間望遠鏡就是通過探測各種天體所輻射的不同波譜、不同強度的電磁波，對宇宙進行詳細了解的。因此，目前空間望遠鏡大多是按照所觀測的宇宙中電磁波譜來分類，即分為可見光空間望遠鏡、X射線空間望遠鏡、γ射線空間望遠鏡和空間紅外望遠鏡等，其中有的是沒有鏡片的空間望遠鏡。

著名的「哈勃」就是用於觀測地外天體輻射的可見光和近紅外線。

這些空間望遠鏡各有所長，誰也不能一統天上。這是因為宇宙中的天體由於溫度不同而發出各種波段的電磁波，靠1個空間望遠鏡很難進行全部波段的觀測。

一般來說，溫度越高，發出的電磁波波長越短。人類可以利用這一特性，通過觀測天體發出的電磁波，來分析它們的類型和特徵。

在電磁波譜中，γ射線的波長最短，輻射能量最大，X射線次之，後面依次是紫外線、可見光、紅外和射電波。

對「慧眼」電性件進行聯試

「慧眼」的絕招——直接解調成像

近些年，隨著X射線空間望遠鏡成果頗多，所以越來越受青睞。這種空間望遠鏡也稱空間高能望遠鏡，因為它們主要用於觀測宇宙中的高溫天體和宇宙中發生的高能物理過程。

宇宙中很多極端天體物理過程都會產生和散發強烈X射線和γ射線輻射的高溫氣體，比如中子星和黑洞吸積物質的過程。高能帶電粒子在磁場中的輻射以及中子星的表面和量子黑洞的蒸發也會產生豐富的X射線輻射。

由於宇宙中許多天體都散發X射線，因此探測宇宙中的X射線對了解宇宙奧秘具有重要意義，但由於X射線極易被介質吸收，因此在有地球大氣阻隔的地面上根本無法對宇宙X射線進行觀測，只能在太空進行觀測。

近些年來美國、歐洲、日本、印度都研製和發射了多個X射線空間望遠鏡。

「慧眼」有效載荷結構件組裝

雖然我國X射線空間望遠鏡起步晚，但起點高。這次發射的我國首個X射線空間望遠鏡「慧眼」就與眾不同，它主要是探測宇宙中的硬X射線。

根據波長，X射線波段可細分為3段：通常把波長在0.1～10納米的X射線稱為軟X射線，其能量相對較低；波長在0.01～0.1納米之間的X射線稱為硬X射線，其能量相對較高；波長在0.01～0.001納米的被稱為超硬X射線，是能量相對最高的X射線。

硬X射線來自最靠近黑洞視界的區域，是探測黑洞和研究黑洞附近物理過程的一個關鍵窗口，我國的「慧眼」主要對這一段進行探測，並採用了一個「絕招」——直接解調成像。

應用我國科學家首創的直接解調成像方法，可以實現寬波段、高靈敏度、高空間解析度X射線巡天和定點觀測，繪製高精度X射線天圖，探索新的天體類型，實現空間硬X射線高分辨巡天，發現大批高能天體和天體高能輻射新現象，並對黑洞，中子星等重要天體進行高靈敏度定向觀測，推進人類對極端條件下高能天體物理動力學、粒子加速和輻射過程的認識。

與國外複雜和昂貴的編碼孔徑成像系統相比，採用直接解調成像的方法解析度高，同時可有效抑制噪音干擾，背景異常乾淨，並簡單準確，能極大提高探測定位的精度，其定位精度可以接近可見光探測精度，從而為「慧眼」探測宇宙空間各種高能事件，取得令人振奮的成果提供了保證。

「慧眼」探測器能譜範圍非常寬

「慧眼」繼承了資源2號遙感衛星平台的技術狀態，設計壽命4年，質量2496千克，運行在高550千米、傾角43°的圓軌道。衛

星本體呈立方體構型，裝載高能(工作能段為20～250千電子伏特)、中能(工作能段為5～30千電子伏特)、低能(工作能段為1～15千電子伏特)3個X射線望遠鏡和空間環境監測器共4個探測有效載荷。

「慧眼」上的科學儀器示意圖

3個X射線望遠鏡可在不同能段同時觀測一個天體，能觀測1～250千電子伏特能量範圍的X射線。由於不同能量的X射線輻射起源於天體上不同的物理過程或者具有不同物理條件的區域，因此在不同的能段觀測天體，可對天體的活動給出更全面和準確的診斷。

空間環境檢測器裝在衛星載荷艙的外面，是為了監測「慧眼」所處的帶電粒子環境，對「慧眼」在軌可能出現的故障進行診斷，並為望遠鏡的本底估計提供輔助數據。

由於「慧眼」上的探測器能譜範圍非常寬，所以它除了可探測空間X射線外，還可拓展進行γ射線暴、恆星爆炸、黑洞等探測；不僅能將宇宙事件從發生、發展到結束全過程的壯麗景象盡收眼底，還可看到這些壯麗景象出現時的時變過程是怎樣的，且比國際上其他同類衛星時間解析度有大幅提升，這對於推動突發天體現象研究的深入意義重大。

其主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描模式。在正常工作模式下，「慧眼」可以實現1～250千電子伏特能區的大天區巡天和定點觀測；在γ射線暴工作模式下，可以監測超過一半左右的天空在0.2～3兆電子伏特軟γ射線能區的暴發現象。

「慧眼」有四大科學目標：一是進行大天區的X射線巡天，發現新的天體或已知天體的新活動；二是對X射線雙星系統進行高精度的定點觀測，研究其快速光變；三是觀測孤立脈衝星、強磁場中子星和中子星X射線雙星中的X射線暴，研究緻密物質的狀態方程；四是監測0.2～3兆電子伏特能區暴發現象，研究γ射線暴，尋找引力波暴的電磁對應體。

「慧眼」研製團隊（來源：航天科技集團五院）

「慧眼」的優勢在哪？

與目前在軌運行的7個國外X射線空間望遠鏡相比，「慧眼」有以下優勢：具有大天區、大有效面積的寬波段X射線掃描巡天能力；具有大面積、寬波段、高時間解析度的定點觀測能力；具有國際上最大面積的硬X射線/軟γ射線能段探測器。

其國際先進的暗弱變源巡天能力，可進行引力波暴電磁對應體的尋找和後隨觀測；其高能X射線望遠鏡可以探測到高至幾個兆電子伏特的光子，能在200千電子伏特～3兆電子伏特能區對γ射線暴全天監測，且接收面積10倍於目前國際上最好的設備，從而大幅提高了在該能區探測γ射線暴、搜索引力波暴的電磁波對應體的靈敏度，對γ射線暴和引力波暴電磁對應體的觀測具有重要意義，在國際上具有明顯的競爭力，且預期能夠產生重要科學成果。

它將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，發現大量新的天體和天體活動新現象。由於具有獨特的研究X射線雙星多波段X射線快速光變的能力，預期可以在黑洞和中子星雙星的研究中獲得大面積新成果。

「慧眼」具有比歐洲「國際γ射線天體物理實驗台」、美國「雨燕」等更強大的成像能力和獨一無二的定向觀測能力，能以最高靈敏度和解析度發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和其他未知類型高能天體，並研究宇宙硬X射線背景的性質。

其直接解調掃描數據能實現高分辨和高靈敏度成像以及對彌散源的成像；而大面積準直探測器又能獲得特定天體目標的高統計和高信噪比數據，使「慧眼」既能實現大天區成像，又可通過寬波段時變和能譜觀測研究天體高能過程。它將實現世界最高靈敏度和最好空間解析度的硬X射線巡天，將通過對黑洞和其他高能天體寬波段X射線時變和能譜的觀測，研究緻密天體極端物理條件下的動力學和輻射過程。

未來，我國空間科學探測更精彩

「慧眼」入軌之後的第5天將對其上的科學儀器加電，開始為期5天的整體功能測試，然後進行為期140天的儀器性能測試、在軌標定觀測和試觀測，計劃於2017年11月進入常規科學觀測。

我國空間科學家還提出了2016—2030年我國空間科學的一系列計劃和任務建議，例如，「黑洞探針」計劃，它用於回答幾個重要的關於宇宙組成和演化的前沿科學問題，包括已發射的「慧眼」、天宮2號上的「γ暴偏振探測項目」等；「天體光譜」計劃，它是對天體的各種波段（光學、射電、X射線等）的光譜進行高分辨的測量，包括已發射的「悟空」暗物質粒子探測衛星。

「磁層—電離層—熱層耦合」小衛星星座示意圖

在2020年前後，我國還將發射5顆新的科學衛星，例如，「太陽風—磁層相互作用全景成像」衛星、「磁層—電離層—熱層耦合」小衛星星座、「全球水循環觀測」衛星、「愛因斯坦探針」衛星和「先進天基太陽天文台」衛星，它們將在基礎科學方面不斷產出重大原創性成果。

此後，「慧眼」也可能有更先進的「接班人」——增強型X射線時變與偏振探測衛星，它採用國際合作方式研製。

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