二十年磨一硬X射線調製望遠鏡

中國前些日子剛剛發射了第一個硬X射線調製望遠鏡，這個月的《中國國家天文》雜誌也用了大量篇幅來揭秘這個神奇的望遠鏡。那麼硬X射線調製望遠鏡長什麼樣？怎麼工作？能得到什麼？這麼難的高科技我不懂啦……

為了給大家更好的解釋硬X射線調製望遠鏡究竟是個什麼鬼，和其中種種因緣際會，我們專訪了中國科學院院士、中科院高能物理所研究員、清華大學教授李惕碚，給大家解密硬X射線調製望遠鏡的故事。

硬X射線調製望遠鏡證件照

中國的「哈勃」？

《中國國家天文》記者（以下簡稱「國天」）/

說到望遠鏡，我們都會想到哈勃。請問，硬X射線調製望遠鏡可以帶來和「哈勃」望遠鏡一樣的成像圖像嗎？

李惕碚（以下簡稱「李」）/

不能。因為「哈勃」和硬X射線調製衛星完全是在不同的波段上工作。「哈勃」是在光學波段，我們的衛星是在X射線波段。完全從解析度來比較，HXMT是不可能趕上光學的「哈勃」的，高能波段的成像比光學波段要差很多。

另闢蹊徑，直接解調成像

國天/硬X射線調製望遠鏡到現在已經經過了20年的發展。您最早提出了在硬X波段直接解調成像的想法，為什麼您會提出用這樣一種特別的方法來發展下一代硬X射線望遠鏡呢？

李/硬X射線望遠鏡的主要觀測對象應該是黑洞，而當時黑洞發現得還很少。黑洞發現後當然要求成像，以便搞清楚黑洞的起源演化。黑洞在吸積物質，物質在落向黑洞的過程中會發熱，從而發射出電磁波，遍及各個波段。吸積物質在最接近黑洞時，溫度已經很高了，所發射的最主要是硬X射線，這個波段是黑洞輻射能量最集中的一個窗口。所以科學界有這樣的共識：硬X波段是探測黑洞強引力場時最重要的一個波段、一個窗口。

硬X射線探測最大的困難是非常難以成像。因為對於高能量的光子很難聚焦，所以傳統的成像方法就不再適用，如反射鏡等。當時國際上非常先進的方法是編碼孔徑成像，這個方法要求的探測器或編碼孔徑都很複雜，儀器複雜，體積也大，造價也高，當時中國是承擔不起的。儘管國際上的主流方法是編碼孔徑成像，但我們只能走另外的路，看有沒有便宜的辦法，所以就提出了直接解調成像。

這種方法的好處在於，可以用非成像的儀器，也就是空間分辨很差的儀器對對象做掃描，然後對掃描的數據用數學處理的辦法來成像，或者說直接解調的方法。對於這個方法，我們經過了理論上的計算，在氣球上對天鵝座X1做過觀測驗證，並且對國外非成像衛星的數據做過重新分析，可以得到大大優於相關項目團隊發表過的成像結果。這是很長的一段路程，最終證明這個方法是可行的。

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取經非線性數學與人工智慧

國天/在硬X射線觀測上進行直接解調是一種很新的想法，當初有沒有人對此提出過質疑？

李：我們是在1993年到1994年正式提出了HXMT項目。在評審過程中，專家們對這個項目的科學意義都是很肯定的，唯一的疑慮就是成像方法是否可行，大家都拿不準，所以我們經過了十多年的時間來證明這個方法是可行的。

在一次我們給中國科學院周光召院長彙報的過程中，周院長提出了一個很重要的問題：直接解調採用非線性的數學迭代，而非線性數學的一個很重要的疑難問題在於是不是收斂的，是不是收斂到全局的最佳點。它可能有很多的極大和極小點，我們的方法是不是收斂到了一個局部最好位置，而不是全局最好位置。我回應道，這個問題非常重要，但我回答不上來，因為非線性數學太困難了。我只能說，通過大量的模擬計算，證明結果確實能滿足我們觀測的需要。

此後，我們一直試圖正式回答周先生的這樣一個很專業的、很重要的問題。最後我們發現這個方法和人工神經網路中一個叫做「霍普菲爾德網路」的非常重要的網路相似，後者就是一個非線性的反饋網路。數學家已經證明了霍普菲爾德網路是收斂的、穩定的，而且收斂到全局最佳。所以我們用間接方法和人工神經網路做類比，回答了周先生的問題。

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但在很長時間裡，天文學家對這個方法仍然持懷疑的態度。我們花了十幾年時間，做了大量工作，來說服國內外天文學家相信這個方法是可用的，是正確的。最近幾年，大家知道人工智慧取得了長足的進展，例如AlphaGo。因為當年為了回答周先生的問題，我曾經關注過人工神經網路。我覺得非常疑惑，因為人工神經網路這些年在原理上並沒有什麼大的突破，霍普菲爾德網路仍然是唯一的被嚴格證明是收斂的、穩定的非線性網路。我請教了深度學習或人工智慧的專家，他們說目前的技術仍然是基於原來的基礎上，特別是霍普菲爾德網路的基礎上，只不過網路變得更複雜了，網路運算得更快了，網路的節點更多、層次更多了而已。所以反過來講，直接解調方法的數學基礎，和現在取得了很重要發展的深度學習、人工智慧是同樣的。關鍵是誰能把它真正在計算上和觀測上實現，讓它取得很好的結果。

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很多學者對直接解調方法長期有疑問，與當年很多人不相信機器可以在圍棋上戰勝人類相似，當時確實想不到人工智慧能發展出很多讓人匪夷所思的性能。一個原理上很新的想法，在相當長的時間內受到懷疑，這並不是一個很反常的事情，是可以理解的。

黑洞天文台

國天/這個項目經歷了那麼長時間發展，您覺得有什麼影響嗎？

李/現在技術已經發展了，發現的黑洞也至少提高一個數量級。但現在經過了20多年的發展，歐洲、美國都發射了編碼口徑成像衛星。雖然他們還是採用舊的編碼孔徑方法，不如我們的直接解調方法，但是他們的衛星已經在天上工作了十多年，積累了大量數據，所以已經發現了很多黑洞，留給我們發現的空間很小了。因此，我們現在的這顆衛星已經變得像一座天文台，從硬X射線擴展到軟X射線、中能X射線等很寬的波段。

運氣，狀態，好團隊

國天/您認為這顆衛星能夠取得新的發現嗎？

李/它有很好的成像性能，但是能否取得新發現，某種程度上也取決於運氣。如果有新的爆發現象，也許能夠取得新的發現。這首先要求我們的儀器要爭氣，能正常地工作。我得到的消息是，三個儀器現在狀態都是正常的，這是很好的一個消息。第二，我們需要很好的天體物理隊伍，能夠從這些數據中充分挖掘出好的物理結果。我們現在已經有了這樣一支很好的隊伍。第三，還要靠點運氣。

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獨家技術？

國天/國外有無應用直接解調方法？

李/美國曾有大學做過樣機，也曾經有人提出過相關建議，但他們沒有做，因為我們中國的HXMT已經上馬了。他們走的是另外一條路線，想辦法在硬X射線波段實現聚焦成像，也取得了很大的成績。

目標！最前沿！

國天/在HXMT的基礎上，我們在硬X射線空間天文方面還將開展哪些工作？

李/在黑洞方面，HXMT的後續計劃已經有了，現在正在努力爭取國家支持，這個計劃名為「X射線時間和極化探測器」。它引起了歐洲同行極大的興趣，他們希望能夠參加進來。我們希望能在十年左右的時間內發放一個更大型的硬X射線望遠鏡，從而真正走到世界最前列。我們希望通過國際合作來實現，但以中國為主導。經過20年發展，有些新的探測器都是我們自己研發的，包括CCD，而且性能很好，處於國際最前沿。所以對於後續工作，我們已經有了很好的基礎，第一是我們的隊伍，是非常好的，又很年輕。第二是我們的技術。我希望能通過HXMT的成功，讓我們真正走到相關領域的最前沿。

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