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“慧眼”十問:中國科學家的非凡智慧
2017-06-16 11:10:01 來源: 新華社客戶端
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  新華社甘肅酒泉6月15日電(記者全曉書 喻菲 屈婷)中國首顆X射線天文衛星“慧眼”于15日發射升空,科學家們將用它來觀測宇宙中最神秘的天體——黑洞和中子星。

  “慧眼”,全稱硬X射線調制望遠鏡衛星(簡稱HXMT)。名稱雖然有些晦澀,但卻和這顆衛星的來歷和任務密切相關。下面,我們就從這裏入手,從十個方面來解構這顆衛星,看看它到底匯集了哪些非凡的智慧,又具備了怎樣銳利的“眼神”。

  HXMT手繪示意圖(手繪 賀萌)

  什麼是硬X射線?

  X射線,相信大家一定都不陌生,誰沒拍過幾張X光片呢?X射線的波長很短,約介于0.01-10納米之間,要遠遠小于可見光的波長,所以不能被肉眼觀測到。

  科學家針對探測手段的不同,把X射線分成了硬X射線和軟X射線。能量在20千電子伏(keV)以上的X射線,傳統上被稱為硬X射線;能量在10keV以下的,就被稱作軟X射線。以前的天文儀器主要在上述兩個能段工作,中間這一段天文觀測得比較少。

  硬X射線如何探測?

  如果我們把一臺普通的光學望遠鏡對準X射線源,則根本無法獲得其圖像。這是因為X射線的波長極短,能量很高,所以它不會像可見光那樣在鏡面上發生反射或折射而聚焦成像,而是會像一粒粒“炮彈”一樣,直接砸在鏡面上或者穿透鏡面而過,能量越高,“炮彈”的穿透能力就越強。

  這是HXMT衛星有效載荷示意圖。(來源:中科院高能所)

  因為在X射線能段成像十分困難,西方科學家發明了編碼孔徑成像技術和掠射式鏡面技術,但運用這兩種方法制造的望遠鏡都十分復雜和昂貴。尤其是後者,要求鏡面的表面粗糙度達到原子直徑量級,目前國內尚不能制造這種適用空間X射線觀測的鏡面。

  中國科學家有啥妙招?

  西方的X射線探測器,我們既做不起,也做不了,那該怎麼辦?“這就逼著我們去創造新的成像方法。”“慧眼”背後的“靈魂人物”、中科院高能物理研究所李惕碚院士説。

  上世紀90年代初,李惕碚院士和他的同事吳枚研究員在不斷探索中找到了一種新的算法,利用技術成熟、造價便宜的準直探測器(非成像探測器)的掃描數據,就能實現成像,被稱作直接解調成像法。不過,這種新方法在提出之初因為太過“神奇”,甚至被懷疑為“弄虛作假”,經過十年左右的理論、實驗和數據分析工作,才被國內外學者逐漸接受。

  “慧眼”只看硬X射線嗎?

  1993年,李惕碚院士正式提出了基于直接解調成像法的硬X射線調制望遠鏡的建議。“當時,這是非常好的一種設想。然而,從1993年提出想法到2011年真正立項,十八年過去了,科學前沿以及X射線探測技術都有了較大的變化,所以,我們對這顆衛星的研究目標和手段也進行了調整。”HXMT衛星首席科學家張雙南解釋説。

2017年4月6日,李惕碚院士接受新華社記者專訪。記者 屈婷 攝

  “慧眼”早已不再局限于硬X射線這一能段,研制團隊後來為它加上了低能和中能X射線探測器,使它的能區覆蓋范圍擴大到1-250keV。張雙南又創造性地添加了觀測伽馬暴的任務,使衛星的能量覆蓋范圍在原來的基礎上又擴大了十倍。

  三種望遠鏡各有啥特點?

  如前所述,“慧眼”安裝了高、中、低能三種望遠鏡。高能望遠鏡覆蓋的能區范圍是20-250keV,包括18個直徑為19厘米的主探測器單體,總探測面積超過5000平方厘米,是世界上面積最大的高能X射線探測器陣列;中能望遠鏡覆蓋的能區范圍是5-30keV,包括三組探測器機箱,總探測面積達到952平方厘米;低能望遠鏡覆蓋的能區范圍是1-15keV,也包括三組探測器機箱,總探測面積為384平方厘米。

  高能準直器主管設計師清華大學金永傑教授交付高能準直器前合影。(來源:中科院高能所)

  雖然這三種望遠鏡各有特點,但它們都是準直型望遠鏡,大體上都由三個部分構成:準直器、探測器和電子學係統。準直器可以限制X射線的入射方向,以便進一步確定天體源的方位;探測器會逐個對光子進行探測,過來一個光子,産生一個信號,其中包含入射光子的能量和時間等信息;電子學係統則把探測器産生的信號轉化成普通儀器可以讀懂的電信號,也就是脈衝信號。

  為啥探測面積越大越好?

  鏡面望遠鏡由于受到制造工藝的限制,一般面積比較小。而“慧眼”的探測面積很大,探測到的信號就會更多。信號越多,就越有可能發現其他望遠鏡看不到的現象。

  比如,一個面積較小的探測器一秒鐘只能探測到大約10個光子,而光子數量的漲落隨時間的變化很大,在統計量這麼低的情況下很難從光變曲線中發現什麼規律或結構;如果探測器面積較大,一秒鐘能探測到大約100個光子,誤差就會變小,結構就更明顯。“對于同樣能被觀測到的源,我探測到的光子數比你多,我就會比你發現更多的特性。”中科院高能所青年科學家熊少林解釋説。

  為啥視場越大越好?

  “慧眼”還具有視場很大的優勢,可以在兩天左右時間內完成對銀道面的掃描。而鏡面望遠鏡由于視場很小,掃描一片天區需要花費很長時間,所以一般只做定點觀測。

  “我們知道,天空中有很多暫現源,毫無徵兆地就爆發了,又會毫無徵兆地消失,掃描觀測可以進行有效監測,比較容易發現這些暫現源。”熊少林説,“對于一個已知源,當然也有可能取得新發現,但對于一個新的源,新發現的概率更大,甚至是全新的聞所未聞的現象。”

  太亮的源會晃瞎眼嗎?

  X射線有一個特性:能量越高,光子數量越少;能量越低,光子數量越多。所以,觀測低能段X射線,往往會遇到光子堆積的問題。所謂光子堆積,是指兩個或兩個以上的光子打到探測器的同一個像素點上,探測器無法將它們區分開,也就測不清楚了。

手繪圖表現的是倫琴和X射線。(手繪 賀萌)

  不過,不用擔心,“慧眼”上的低能望遠鏡不會碰到這個問題。“聚焦型望遠鏡不適合觀測強源,因為它會把所有X射線的光子都聚到一點上,曝光量過大,所以一看太亮的源,就白茫茫一片。我們是準直型望遠鏡,可以把光子分散開,堆積率很低,所以看多亮的源,都不會晃瞎眼。”HXMT衛星有效載荷低能望遠鏡主任設計師陳勇説。

  如何觀測伽馬射線暴?

  “慧眼”並沒有為觀測伽馬射線暴增加和更改軟硬件,使用的其實是高能望遠鏡主探測器中原本用于屏蔽本底X射線光子(特別是從望遠鏡後方入射的本底X射線光子)的碘化銫晶體。根據張雙南的建議,團隊的科學家們發現只要對探測器工作高壓做適當調整,就完全可以用其來觀測伽馬射線暴。

這張手繪圖表現的:掠射式鏡面技術的原理和湖邊打水漂十分相似。(手繪:賀萌)

  正是由于這種“變廢為寶”的創新設想,在200keV-3MeV(兆電子伏)能區,HXMT衛星監測伽馬射線暴的有效觀測面積相比以往的設備可提高十倍左右,而且在觀測伽馬射線暴時都不需要正對著目標源,觀測能譜隨時間的變化非常好。

  為什麼要打“遮陽傘”?

  中國航天科技集團公司第五研究院的研制人員在將各種X射線探測器安裝到衛星平臺上時,特別為中低能探測器設計了一把“遮陽傘”。

  “高能探測器的溫度要在18攝氏度左右,而中能和低能探測器的工作溫度卻可能低到-80攝氏度或-40攝氏度。這就好比一個人只有一件衣服,卻要在南極和赤道都能生存下來。我們用這把‘遮陽傘’擋住陽光,實現低溫工作環境,同時為高能探測器加熱,並在高低溫設備之間採取了隔熱措施,從而解決了這一難題。”衛星熱控副主任設計師、載荷熱控主任設計師周宇鵬博士説。

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【糾錯】 責任編輯: 張朝華
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