HXMT衛星成功發射中國科學家20年打造望向黑洞的“慧眼”

出品：科普中國

制作：中國科學院高能物理研究所中國科普博覽

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

黑洞，這個吞噬一切的神秘天體，魔咒一般地吸引著我們，從未停止。但是，50多年過去了，人類對黑洞的探索仍然處于初始階段。

為了研究黑洞、中子星等高能致密天體的基本物理性質以及對周圍時空的影響，中國科學院高能物理研究所和航天科技集團五院等單位研制了我國第一顆空間X射線天文衛星——硬X射線調制望遠鏡（HXMT）衛星。

HXMT衛星的科學目的是什么？它的觀測過程是怎樣的？與其它天文衛星相比有什么特點和突破？未來會有哪些科研發現？

帶著這些問題，我們對中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點實驗室主任、HXMT衛星首席科學家張雙南研究員進行了采訪。

中科院高能物理研究所研究員、中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點實驗室主任、HXMT衛星首席科學家張雙南

張雙南研究員介紹說，HXMT衛星目的就是接收來自天體的X射線，當然這種天體可以是中子星，也可以是黑洞。我們主要是希望尋找一些以前不知道的黑洞和中子星，同時，對已經知道的也進行觀測和研究，目的是用來拓展我們對于黑洞和中子星的知識。

在宇宙中，當物質被致密天體的引力俘獲后，會以螺旋運動掉向中心天體，速度越來越快，溫度越來越高，最后會發出強烈的、比一般X射線能量高的硬X射線。

雖然X射線穿透能力比較強，但也不能穿透地球大氣，所以我們必須要到地球大氣層以外才有可能探測到來自天體的X射線。

從一窮二白到自主研發空間天文衛星

早在20世紀70年代，中國就已經開始了X射線天文觀測。中科院高能所利用高空氣球搭載X射線望遠鏡，在40公里高空對X射線脈沖星、黑洞等類型的天體進行了觀測研究，HXMT衛星正是在氣球實驗的基礎上提出和研制的。

為了完成這樣的一個科學裝置，科學家們前前后后共努力了差不多20年的時間，克服了各方面出現的困難，最終才走到了今天。

第一，項目經驗不足。在HXMT衛星之前，我們國家沒有真正做過天文望遠鏡，尤其是空間天文望遠鏡，對如何推動項目發展，經驗不足。

第二，經費不足。以前我們的科研投入量比較小，但近幾年隨著經濟的發展，經費逐漸能滿足需求，可以支持HXMT衛星的研制建造。

第三，人才不足。在人才隊伍方面，雖然我們國家有航天隊伍，但研究空間、天文儀器的隊伍非常小，不適應這么大型的X射線衛星的研制。

第四，技術要求高。因為這個望遠鏡的設計思路非常創新，用了很多新的空間儀器的技術，我們需要自己研發，之后按照航天要求把它研制出來，這個過程非常復雜。

既然這么困難，為什么我們一定要建造它呢？

張雙南老師介紹，空間天文望遠鏡實際上開創了人類探索宇宙的一個窗口。人類在開創了這個領域之后，人類就發射了各種各樣的天文衛星，也包括我們很熟悉的哈勃天文衛星，所以人類對宇宙的探索是不會停止的，會一直進行的。

中國是一個航天大國，世界上其他航天大國在利用航天來做科學研究方面都做了非常多的事情，而我們國家在這方面做得比較少，硬X射線調制望遠鏡是比較自然地進入空間開展基礎研究的一個領域，所以就選擇了這個領域作為突破口。

HXMT衛星運行示意圖

特點：能量覆蓋面積廣　儀器幾何面積大　望遠鏡視場寬

張雙南老師具體解釋說，首先，這個X射線的儀器覆蓋的范圍是比較廣的，覆蓋從1kev到300kev左右，有基本上300倍的能量覆蓋的范圍，如果再加上對伽馬射線暴的探測能力，到3000個kev，覆蓋的范圍就有3000倍，很少有這樣一個衛星能有這樣寬的光子覆蓋范圍。

另外，就是涉及到的儀器，我們儀器的幾何面積是比較大的。比如，高能段儀器的幾何面積達到了5000平方厘米，這是在這個能量段最大的面積。

此外，望遠鏡的視場是比較寬的，它適合做一些天體物理的研究。比如，我們將會對中子星和黑洞進行非常高統計量、高波段的研究，這是以前的天文望遠鏡或者X射線望遠鏡比較難做到的。由于視場相對比較寬，面積又比較大，這樣我們對于銀河系內的一些比較弱的源變化就會比較敏感，所以我們會對銀河系進行巡天的工作，來搜尋銀河系內有多少像這樣的比較暗弱、隨時間變化的天體，這對我們理解銀河系內的中子星和黑洞都是非常重要的。

它和其它望遠鏡不同，并不是說它比其它的望遠鏡好，而是指在某些方面我們有自己的特色，在這些方面我們能夠做得好一些，所以我們的科學觀測也就圍繞著優勢進行。

HXMT衛星巡天觀測模式示意圖

三種觀測模式：掃描巡天、定向觀測和定點監測

HXMT衛星的觀測主要是有三種模式。簡單的說就是，掃描巡天模式、定點觀測的模式和伽馬射線暴監測模式。

首先，掃描巡天模式。我們預測銀河系里有很多中子星和黑洞，但是它們在哪里，都是什么樣子的，很多都還沒有發現，所以這個衛星會對銀河系進行掃描和巡天的工作；

其次，定向觀測模式。我們已經知道了一些天體源，或者通過巡天發現的天體源，我們會用望遠鏡指向它，這就叫做定向觀測；

最后，伽馬射線暴監測模式。這相當于守株待兔的模式，如果有一些非常強烈的伽馬射線暴被發現，儀器就會監測到這個高流量的信號到達，我們會來提供一個警報來進行后續的觀測等等。

對于這三種模式，張雙南老師舉了一個很形象的例子，“就像有一個男生，在天安門廣場發現有美女，他就很仔細地在茫茫人海當中想找到一個美女，找到之后，他會仔細地盯著這個美女去欣賞，這相當于我們的第二種模式，定向觀測。然后還有可能某個地方出現了某個女神、某個電影明星，她引起了轟動，他立刻轉過去盯著這個女神看，所以這樣有一點像這三種過程，掃描以及定向和監測的過程。”

獲取一手數據未來有望取得的進展

觀測后，HXMT衛星主要在四個方面有可能取得比較大的進展：

第一，預計會發現一批新的天體源，主要是中子星和黑洞為主的新的高能天體；

第二，對一批比較亮的中子星和黑洞進行定點觀測；

第三，我們有可能會對中子星和黑洞的基本的性質，比如中子星的磁場和中子星的質量、黑洞的質量和黑洞的自轉等做出新的測量，也可以了解它們為什么會有各種各樣的活動性；

第四，對宇宙進行“監視”，我們預期每年能發現幾十個到幾百個伽馬射線暴，當然如果有些伽馬射線暴將來能和引力波事件建立關系，將會成為比較重要的進展。

同時，必須指出，科學研究中不乏意外的收獲，我們也十分期待HXMT能帶給我們意外的驚喜。