硬×射線調製望遠鏡HXMT探索宇宙的慧眼

天文觀測技術與接收信號的波長密切相關。在可見光波段，哈勃空間望遠鏡已做出一系列重大科學發現。但在更短波長的×射線高能領域，尚有若干重大科學問題有待突破。這為中國空間天文探測衝擊世界領先水平提供了難得機遇。

高能天體物理之所以引起人們的極大興趣，是因為它的研究對象是那些極端物理環境中的神秘天體，包括超新星爆發之後的緻密殘骸——中子星或黑洞。它們與星系的產生和演化，以及時空和物質的基本物理特性都有著密切的聯繫，為人類架設起一座氣體動力學、粒子加速和輻射過程的天然實驗室。這些高能天體在可見光波段通常都很暗弱，有些還被厚厚的塵埃遮擋;但如果有一雙觀察×射線的眼睛，我們就會看到遍布宇宙的超新星、中子星、伽馬射線暴、黑洞吸積盤都在像燈塔一樣源源不斷地輻射能量，讓整個天空都變成高能天體的世界。

還有一個科學概念需要說明，那就是×射線的「軟硬」之分。×射線和可見光一樣，本質上都是電磁波，都具有波粒二象性，只是波長與能量不同，所以在傳播過程中顯現出來的性質也有所不同。×射線因為波長極短，能量又很高，在傳播的時候更接近粒子。按照科學家的傳統劃分，能量在20千電子伏(keV)以上的×射線，被稱為硬×射線;能量在10 keV以下的，就被稱為軟×射線。高能天體發出的硬×射線，更容易穿透宇宙塵埃和氣體雲團，不受它們的遮擋。

然而，要想獲得硬×射線的天空圖像，是一項複雜而艱巨的工程。最大的困難在於X射線穿透力太強，當我們把一台普通的光學望遠鏡對準×射線天體的時候，×射線不會像可見光那樣在鏡面上發生反射或折射，而是直線穿過鏡面，另有一部分被吸收。因此，使用普通的光學成像系統，無法匯聚零散的×射線光子來形成較為明亮且可被識別的天文圖像。所以早期的×射線觀測都是簡單地探測來自天體源的光子數目，沒有空間分辨能力。

要給×射線成像，一般要用到「掠入射」這一物理現象，也就是讓望遠鏡的鏡片儘可能光滑，並讓×射線從側面入射。這時反射率就會大大提高——這與「打水漂」的原理比較相似。整個接收器被設計成光滑的漏斗形狀，並具有多層嵌套結構，×射線在其中不斷反射前進，就會在漏斗尾部匯聚起來。

1999年，歐洲空間局發射的XMM牛頓空間望遠鏡實現了能量在10keV以下的軟X射線聚焦成像;美國航空航天局的錢德拉X射線空間望遠鏡標誌著×射線天文學從測光時代進入了光譜時代。「錢德拉」的鏡面有多平滑呢?如果把這個鏡面放大到地球一樣大小，按照鏡面的粗糙程度計算，這個「地球」上最高的山峰只有不到2米高。

然而，對硬×射線來說，即使這麼平滑的鏡面反射概率仍然太低。直到2012年，美國發射的核光譜望遠鏡陣列(Nuclea r SpectroscopicTelescope Array)才以世所罕見的製造工藝實現了硬×射線聚焦成像，將能夠成像的能量範圍提高到了79 keV。核光譜望遠鏡陣列的鏡面由高密度材料和低密度材料反覆重疊200層左右鍍成，每層的厚度和表面精度都達到了原子量級。由於這項技術加工難度巨大，裝配周期長，並沒有得到更廣泛的應用。

另外一種技術是20世紀70年代開發出的編碼孔徑成像技術。編碼成像技術並不追求直接匯聚×射線，而是在探測器陣列前面加上一塊具有編碼孔的遮擋板。不同方向入射的光子流穿過編碼板，在探測器上會形成不同形態的投影疊加，就像太陽通過樹葉的縫隙在地面形成光斑一樣。不同方向入射的X射線經過編碼板後會形成不同的投影，利用數學模型，從投影可以反推得到入射×射線的方向，從而實現成像。但是編碼成像技術也有缺點，它需要編碼板和探測器定位極為精準，而且由於編碼板的遮擋，入射的×射線受到過濾，探測效率較低。

如果能有效解決硬×射線空間分辨的技術難題，就可以實現許多新的科學目標，包括對高能天體做定點觀測、獲得巡天觀測圖像、追蹤短時爆發現象等。這些目標的實現會將高能天文學的研究推進到一個新的水平。瞄準這一歷史契機，中國科學家開始著手建造新的觀測設備，也就是2018年年初剛剛投入科學觀測運行的「慧眼」硬×射線調製望遠鏡(Hard X-ray ModulationTelescope，簡稱HXMT)。

「慧眼」是如何突破上面這些技術瓶頸的呢?「慧眼」團隊的老一輩核心成員——中科院高能物理研究所李惕碚院士和吳枚研究員，從20世紀90年代起就在孜孜不倦地思索著如何改進×射線成像的問題。經過艱苦努力，他們探索出「直接解調」的方法，即通過準直器來限制入射的×射線，只允許與準直器成一定夾角的X射線穿過，實現對入射X射線的調製。在數據處理中，他們使用非線性數學手段，直接解原始的測量方程，實現反演成像。由於更充分地利用了測量對象和測量儀器的信息，同樣的數據經過直接解調可以得到比用傳統方法更好的成像效果。與複雜昂貴的編碼孔徑成像系統相比，用簡單的準直探測器掃描數據直接解調成像解析度高，同時噪音干擾被有效抑制，背景異常乾淨，從而用簡單成熟的硬體技術就可以實現高解析度、高靈敏度的硬×射線巡天。

經過長期不懈的試驗改進，直接解調接收系統的研發順利完成。衛星在運行中，通過調整姿態使準直器掃過天空的不同地區，就可測量得到天空×射線強度的分布，實現硬×射線成像。而且，由於「慧眼」採用了非成像探測器，探測器的數目由新一代伽馬射線望遠鏡的10000個降到了只有18個，極大地降低了電子學數據讀出的流量需求，同時降低了功耗。相較於其他×射線空間望遠鏡，「慧眼」具有更大的面積，因而在觀測短時間瞬變和爆發源時，就可以一次性探測到更多的光子數，大大增加了數據的可信度。

Science科學創建者shkoh chao：國家計算機高級工程師，業餘天文學家和科普工作者。新浪微博認證博主，今日頭條認證科普作者，頭條問答簽約作者，騰訊企鵝科普達人，UC頭條認證科普作者，鳳凰新聞科技頻道科普作者。每天多篇前沿科學科技資訊讓你掌握一手科學信息。多篇科學探索文章，擴充你的腦容量，讓你成為大神般的十萬個為什麼的解密者。

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