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【新闻】大国重器我国首颗天文望远镜卫星成功发射慧眼将如何识天

发布时间:2020-10-15 00:55:56 阅读: 来源:镍合金厂家

6月15日11时00分,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”。这次发射还搭载了国内外3颗小卫星。新华社发(甄哲 摄)

千龙网综合报道 15日,我国首颗硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”在酒泉成功发射。这颗名为“慧眼”的天文卫星,将承载着我国科学家们的观天之梦,驻足浩瀚宇宙,穿过层层遮挡,看遍星辰大海……未来4年中,它将不间断地监控各类天体的一举一动,帮助人类进一步揭开宇宙的神秘面纱。

这一卫星的发射有什么意义?与国际上同类卫星相比有哪些优势?将对我国的空间科学技术发展带来哪些进步?

科学重器:中国睁开“慧眼”

“慧眼”全称硬X射线调制望远镜卫星,是继中欧合作地球空间探测双星、“悟空”号暗物质粒子探测卫星和“墨子”号量子科学实验卫星之后,我国又一颗重要的空间科学卫星。

被命名为“慧眼”,寓意中国在太空“独具慧眼”,能穿过星际物质的遮挡“看”宇宙中的X射线,也为纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧(生于1914年,2011年逝世,江苏苏州人。杰出的核物理学家。被誉为“中国的居里夫人”)。

科学家希望通过“慧眼”解开黑洞演化、中子星强磁场等剧烈天文过程中的种种谜团,研究极端引力条件下的广义相对论和极端密度条件下的中子星物态,以及极端磁场条件下的物理规律等基础科学问题,这些是现代物理学有可能获得突破的重要方向。

“慧眼”重约2.5吨,载荷重量981公斤,其上同时安装了高、中、低能三组X射线望远镜,实际上是一座小型空间天文台。

据中科院高能物理研究所研究员、卫星有效载荷总设计师卢方军介绍,这颗卫星首次实现了1-250keV的能区全覆盖,有利于从不同能段来观测和研究X射线天体的辐射机制。

“慧眼”的探测面积很大,尤其是高能望远镜的探测面积超过了5000平方厘米,是国际上同能区探测器中面积最大的。“面积越大,探测到的信号就会越多,就越有可能发现其他望远镜看不到的现象。”参与卫星研制的科学家熊少林说。

“慧眼”的视场也很大,约两天即可完成对银道面的扫描,有利于监测暂现源。“对于一个已知源,当然也有可能取得新发现,但对于一个新的源,新发现的概率当然会更大。”熊少林说。

“慧眼”是建立在中国科学家李惕碚和吴枚提出的直接解调成像方法之上的准直型望远镜,因此它还具有观测亮源的优势。

来自中国航天科技集团公司五院的卫星副总设计师倪润立说,根据这颗卫星的科学目标,研制人员为它制定了巡天观测、小天区观测和定点观测等多种工作模式。

研制人员还为中、低能探测器设计了一把“遮阳伞”。“高能探测器的温度要在18摄氏度左右,而中、低能探测器的温度却可能低至-80摄氏度或-40摄氏度。这就好比一个人穿同一件衣服,却要在南极和赤道都能生存下来。‘遮阳伞’就是为了实现低温工作环境。”卫星热控副主任设计师周宇鹏说。

从卫星升空到观测数据发回地面进行研究的流程图

“慧眼”使命:活捉黑洞、脉冲星

由于“慧眼”有较大的视场,对银河系巡天是它最重要的使命。“我们预期会发现一些新的黑洞和中子星。”“慧眼”首席科学家张双南说。

他说,尽管其他国家已发射的同类卫星开展过巡天观测,但绝大多数X射线源都是变源,会不定期发生剧烈的耀发,不是一两次巡天就能发现的,因此“慧眼”将反复开展巡天扫描,及时探测银河系内天体源的耀发。

“天上黑洞、中子星那么多,但是现在还没有一个被彻底搞明白,所以会不断有卫星来观测它们。”张双南说。

神秘莫测的黑洞还隐藏着很多秘密。“黑洞能产生X射线等各种辐射,还有可能产生高能宇宙线以及强烈的喷流。它们究竟在干什么?现在人类只有二三十个黑洞的样本,能发现更多当然好,对已发现的黑洞我们也希望研究得更清楚,找到黑洞只是开始。”张双南说。

据他描述,黑洞有时很“冷静”,有时很“暴躁”。当它“发脾气”时,产生的X射线流强特别高。国外的卫星适合看“安静”的黑洞,而“慧眼”特别适合看“暴躁”的黑洞和中子星。

“我们还不知道为什么有些黑洞‘发脾气’,所以我们希望对银河系的黑洞和中子星做比较详细的普查。”张双南说。

此外,“慧眼”还要给宇宙中诡异的中子星(脉冲星)“把把脉”。“我们还不清楚中子星的内部是什么。它们具有超强的引力场、电磁场和核密度,可谓极端物理的天然实验室。通过研究中子星的X射线,我们可以测量其表面的磁场强度,研究高密度、强磁场下物质的性质。”张双南说。

慧眼“慧”在哪里?

HXMT卫星上天之后,银河系的星星都“逃不过”他的一双“慧眼”,这得益于其练就的一身独门绝技。

HXMT卫星通过探测硬X射线辐射从而了解被监测星源的相关信息。然而硬X射线成像非常困难,目前国际上主要使用的成像技术包括编码孔径成像和多层膜掠射望远镜聚焦成像技术,但它们对探测器的精度要求十分高,设计复杂、造价昂贵。

我国学者独创的直接解调成像方法,是在一定的物理约束条件下直接求解原始的测量方程,可以同时获得高的灵敏度和空间分辨率。“这就使我们在采用精度较低探测器的情况下,也能通过观测模式的精心设计以及后续数据的有效处理,得到星源的位置、能量分布以及相关变化情况等精确信息。”宋黎明说。

直接解调成像的实现需要一个先决条件,即精确校准观测X射线仪器的过程——标定。

HXMT卫星是对天体的X射线进行测量,需要了解天体X射线的能量、流强、方向等信息。为了准确测量这些信息,首先要清楚地掌握望远镜的响应函数。就像用尺子去度量某个东西,必须保证尺子的刻度是准确的。对测量仪器的校准,正如用更精确的长度标准去校准尺子一样。

标定的过程,是用放置于标准平台上的仪器测量X射线源,记录产生出的信号,建立入射已知信号和产生信号之间的关系,即精确获得仪器时间响应、能量响应和空间位置函数。这样,从望远镜获得观测数据之后,便可准确地反推出被观测天体的X射线辐射性质。

“之前我们没有配套的地面标定装置,为此,在研制HXMT的同时,又投入大量精力建设了两套大型标定装置,顺利完成了所有探测器的标定工作。”宋黎明说。

HXMT卫星另一项独门绝技是伽马射线暴监测能力。

“这实际上是一个无心插柳的美丽巧合。”宋黎明解释说,最初设计该卫星时是没有伽马射线暴观测模式的,但由于近几年学术界对伽马射线暴越来越关注,尤其是引力波的发现,使得伽马射线暴的研究变得越发重要,因而对卫星探测仪器进行重新开发。

通过调整高能X射线望远镜主探测器光电倍增管的高压,使主探测器的探测能区从20—250keV覆盖到200keV到3 MeV——这一能区恰恰是伽马射线暴能量最集中的区域。如此一来,HXMT卫星在不影响原有科学目标的前提下,能对伽马射线暴进行高灵敏度全天监测,大大提升了其科学能力。

“HXMT卫星监测伽马射线暴的有效面积相比以往设备可提高十倍左右,能够探测到足够多的伽马射线暴光子数,十分有助于我们对伽马射线暴细致结构的深入研究。”马世俊告诉记者,由于引力波暴也可能产生伽马射线暴,HXMT在搜寻引力波电磁对应体方面也具有明显的国际竞争力。

【“慧眼”四问】

15日上午,“慧眼”成功发射,长达4年的“太空直播”将进一步揭开太空的神秘面纱。

1.“慧眼”为啥上太空?

X射线穿越大气层会严重衰减

硬X射线调制望远镜卫星的成功发射填补了我国轨道观测的空白,使中国跻身于“太空观察员俱乐部”,中国的科技人员将借助这颗望远镜卫星对宇宙中的各类硬X射线进行近距离观察。

在宇宙中,脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等都会射出X射线,如果可以接收到这些射线加以分析,就能勾画出这些天体的轮廓,对人类探索太空具有重要意义。航天科技集团五院西安分院硬X射线调制望远镜卫星数传分系统技术负责人许兴介绍,之所以要将硬X射线望远镜卫星发射到几百公里之外的轨道,是因为地基观测仍然存在很多不足,比如X射线穿越地球大气层时会出现严重衰减,地面观测的准确性、全面性就大打折扣。

2.啥叫硬X射线?

波长0.01-0.1纳米X射线

据航天五院西安分院主管遥感数传类卫星研制的杨毅副院长介绍,并不是所有的空间望远镜都能够实现对X射线的观测,比如“哈勃”,只能够观测太空中的可见光波段,可见光波长范围在390-780纳米,而X射线的波长比可见光波长小得多,必须用专门的X射线望远镜才能观测。

据介绍,X射线波段范围是0.001-10纳米,很多的天体活动就是以发射X射线为表征,如果对它有足够的认识,人们将得以一窥黑洞等天体运动的神秘。人类派出的这些先遣卫星只能看到波长在0.1-10纳米的X射线(被称为软X射线),对于能量较高,波长在0.01-0.1纳米之间的X射线(被称为硬X射线)只能“视而不见”。我国自主研制的第一个天文卫星则是“前排VIP观众”,是世界上灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜卫星,有望发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体。

3.“太空直播”如何实现?

卫星4年间将一刻都不休息

中国第一次把天文望远镜搬上太空轨道,除了得益于发射技术和测控技术外,更得益于高端的卫星数据传输技术。

为让卫星及时向祖国报告硬X射线望远镜这双明亮的眼睛探索到的太空秘密,五院西安分院科研人员给硬X射线调制望远镜卫星配了一名专属的“太空信使”——数传分系统,它的主要功能是将硬X射线望远镜搜集到的数据,实时传输到数据记录系统或通过无线方式传输到地面接收站。

我国硬X射线调制望远镜卫星将在轨服役4年。这4年里,望远镜卫星将一刻无休地进行观测,这首先就要求数传分系统这个太空信使“身体倍儿棒”。该卫星数传分系统技术负责人许兴介绍,为确保这个太空信使忠诚记录、长时间连续工作,五院西安分院科研人员像保健医生一样,通过抗辐照加固、三模冗余、定时刷新等手段提高产品“器官”自身抵抗力及自愈能力,确保这些“器官”抵御各种风险开展正常工作。

4.“太空直播”最怕啥?

“太空致病细菌”单粒子翻转

太空中的强辐射会对卫星的敏感器件等产品的寿命造成影响,为了让卫星达到设计寿命,研制人员在卫星容易受辐射影响的部位加厚防辐射包裹,类似孕期的准妈妈常穿着防辐射服保护腹中的宝宝一样。

太空环境中这一层威胁还较容易得到化解,免于单粒子翻转对卫星芯片等产品的影响则要复杂和艰难得多。单粒子翻转是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。许兴介绍,卫星上的一台台产品就好比人体的一个个器官,太空辐射、粒子就像数不胜数的致病细菌,这些细菌时刻企图侵蚀到“器官”内部,严重威胁着“器官”的健康。对一般卫星而言,将受到影响的卫星设备进行关机重启来纠正错误是一种被动的选择。但对需要数传分系统4年不间断工作的硬X射线调制望远镜卫星来说,关机重启意味着数据中断,太空信使的任务目标就无法实现。因此,航天五院西安分院的设计师们利用三模冗余、定时刷新等方法增强了卫星数传分系统的抗单粒子翻转能力。

【独具“慧眼”】

细数国际X射线空间观测“大家庭”

HXMT卫星上天以后,将加入到国际X射线空间观测的大家庭中去。说起这个大家庭,成分可是相当复杂,有来自美国的“钱德拉”大表哥,来自日本的“朱雀”二表姐,来自欧洲的“牛顿”大叔……“慧眼”号这些“远房亲戚”都是何方神圣,与他们相比“慧眼”号又具有哪些独到之处?

1999年美国钱德拉X射线天文台发射成功,其特点是具有极高的空间分辨率,获得了在星暴星系M82中发现中等质量黑洞证据等成果。

美国于2008年发射升空的费米伽马射线空间望远镜搭载了伽马射线暴监视系统,可以对伽马射线暴进行系统研究。HXMT卫星与之相比,两星在监测能段上有一些重合之处,但HXMT卫星对软伽马射线的探测能力要略强于费米。

与此同时,欧洲也在1999年发射了XMM-牛顿卫星,与HXMT卫星相似的是,该星也装备了三部X射线望远镜,让欧洲天文学界获得了诸多突破,如观测到迄今在遥远宇宙看到的最大星系团,这一星系团证明了一种称为暗能量的神秘力量的存在。

由欧洲航天局主导的国际伽马射线天体物理学实验室卫星(简称“INTEGRAL卫星”)主要用于探测伽马射线暴引发的剧烈爆炸、超新星爆炸以及宇宙中可能存在黑洞的区域,同时可以对硬X射线进行观测,但其覆盖能段(20keV—10Mev)和HXMT卫星的覆盖能段(1keV—3MeV)有些区别。

此外,从日本2005年发射的“朱雀”卫星、2009年在国际空间站上装载的X射线成像监视器MAXI到印度2015年发射升空的首颗天文科学卫星Astrosat,硬X射线探测领域一直以来都是国际天文学研究竞争的主战场。

“没有哪两颗天文卫星功能是一模一样的,空间研究也从来不允许做重复工作。”张双南告诉记者,目前天上这些卫星不能说谁比谁优越,对天体辐射的研究是一个十分复杂的过程,不同的科学目标对卫星功能的要求也不尽相同。发射一颗新的卫星,强调的是独具特色,只要在某方面有过人之处就足够了。

HXMT卫星凭借其大天区、宽波段X射线扫描巡天能力,大面积、高能量分辨率定点观测能力以及最灵敏的伽马射线暴探测能力等多双“慧眼”,定能在国际天文研究领域,看到属于自己的一片广袤星空!

黑洞,我是“慧眼”,请回答!

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