“慧眼”发射现场,成功升空!这枚历经20多年自主研发的硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT),也是中国首枚太空望远镜。“慧眼”这个名字,是向高能物理领域杰出的女科学家,中国天体物理学奠基人之一,何泽慧先生致敬,也饱含着HXMT团队对未来的期望——期望借助这只“慧眼”,穿过星际迷尘的遮挡,去探寻那些深藏在宇宙深处,“寂静”黑暗中的秘密。
刚刚升空的“慧眼”,将为我们展现出那个潜伏在静谧星空中,炽热暴躁的高能宇宙。宇宙中几乎每天都发生着这样的“大事件”。然而,在望远镜出现之前,得到证实的超新星记录,只有7次。是望远镜的出现,让人类的目力所及,从银河系拓展到了更远的其他星系。天文学家对望远镜的追求,也再没停止过——要更强、更大、更清晰,还要架进太空,绕开大气层的阻碍。于是,有了FAST,有了哈勃,有了刚刚睁开的“慧眼”。
超新星爆发之后的残骸可能是中子星,也可能是黑洞。但它们有的被厚厚的尘埃所遮挡,有的根本就不会发出可见光。普通的可见光望远镜都看不到它们的影子,需要在X射线波段观察才能发现。X射线因为波长极短,能量又很高,在传播的时候更接近粒子。当我们把一台普通的光学望远镜对准X射线天体的时候,X射线不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射,而会像一粒粒“炮弹”直挺挺打进水塘里一样,就被吸收了。
因此,使用普通的光学望远镜,也就无法获得天体的X射线图像。
为了能看到天体的X射线图像,科学家们想到的第一个方法是让望远镜的镜片尽可能的光滑,然后让X射线像打水漂一样发生反射。1999年美国国家航空航天局(NASA)发射的钱德拉X射线天文望远镜(Chandra X-ray Observatory)能实现能量在10keV以下的软X射线聚焦成像。不过,这么平滑的镜面也无法让硬X射线聚焦成像。
直到2012年,美国发射的NuSTAR卫星(Nuclear Spectroscopic Telescope Array)才以世所罕见的制造工艺实现了硬X射线聚焦成像,将能够成像的能量范围推高到了79keV。
中国的科学家则另辟蹊径,提出了直接调制成像法。所谓调制,就是扫描。
上世纪90年代初,中科院高能物理研究所李惕碚院士和他的同事吴枚研究员在不断探索中找到了这种新的算法,即使无法实现聚焦,仍然可以非常有效地把调制后的信号还原成图像,这种方法就被称作直接解调技术。李惕碚院士把这种图像处理技术与扫描探测技术结合在一起,很快便提出了硬X射线调制望远镜的概念——通过对X射线源的成像观测,以简单成熟的方法,得到天图,弥补制造技术上的缺陷。这就是今天“慧眼”的核心基础。
“慧眼”虽然沿用了“硬X射线调制望远镜”的名字,但它的本领早已超出了对硬X射线的观测与成像。研制团队给“慧眼”加上了低能和中能X射线探测器,把望远镜能够覆盖的观测能区范围扩大到1keV-250keV。
“慧眼”因为没有镜面,不受制造工艺的限制,所以探测面积很大,能观测到更多的信号,也就有可能看到其他望远镜看不到的现象。对同样能被观测到的源,探测到的光子数多,发现更多的特性。“慧眼”的探测视场也比镜面望远镜大,可以在两天左右时间内完成银道面的扫描。
“慧眼”还有比其他探测器短得多的“死时间”,也就是快速连续处理光子信号的能力。虽然我们的高能探测器是世界上面积最大的,但是它的“死时间”比别的探测器要短得多,我们丢失的光子也会比别的探测器少得多,探测到的信号也更多更准确。这对于帮助我们最终搞清楚X射线天体的辐射机制是非常有帮助的。
“慧眼”项目首席科学家张双南表示,科学家对黑洞、中子星、伽马暴的很多基本情况还不清楚,我们只是确定了一些天体是黑洞、中子星。黑洞是广义相对论预言的天体,发现黑洞证明广义相对论是成立的。但要想进一步研究广义相对论的细节,研究它是不是在所有情况下都成立,就得在各种条件下进行检验。黑洞附近的引力是宇宙中最强的。在黑洞附近能够更好地检验广义相对论。
“慧眼”就像一座太空中的天文台,让科学家能够望向那片未知,能探索未知的奥秘。这当然只是中国天文学家迈向太空的一小步,但也许,也是最重要的一步。因为这一步,他们迈进了那片属于自己的未知的宇宙。