一双“慧眼”看遍星辰大海

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▲由普通恒星和黑洞或中子星组成的双星系统吸积过程示意图。

？hxmt卫星有效载荷示意图。

hxmt卫星示意图。

6月15日11: 00，中国酒泉卫星发射中心，硬x射线调制望远镜卫星(以下简称“hxmt卫星”)携带长征-4 B运载火箭，赶往空.台这颗名为“鬼眼”的天文卫星将承载着中国科学家的梦想，那就是观看天空，在广阔的宇宙中停留，穿过层层遮蔽，看到星星和大海...

你的眼睛看哪里

作为中国第一颗x射线天文卫星，hxmt实际上有三对“眼睛”——其主要有效载荷包括高能x射线望远镜、中能x射线望远镜、低能x射线望远镜and/きだよ 0室环境监测仪，可实现1-22424；

“贵研”号卫星的成功发射，填补了the/きだよきだよ在中国x射线天文卫星领域的空白，实现了从地面观测到天地联合观测的飞跃，这是中国天文学发展史上的一个里程碑。”国防科技局系统工程司副司长赵建说。

“通过对黑洞和中子星的长期高频监测，了解黑洞和中子星系统的活动和演化机制是该卫星的主要科学目标之一。”硬x光调制望远镜卫星系统负载子系统的专家宋立明说，黑洞是一种致密的天体，其光线无法从地平线上逃逸，因此无法直接观察到。然而，由于黑洞的强大引力，一些物质如气体会聚集在它周围，形成一个带有x光辐射的吸积盘。在中子星表面附近的区域，也存在由x光辐射主导的高温、高压和强磁场等条件。通过观察x光辐射的特征，我们可以了解这些极端天体的性质及其物理过程。

硬X射线调制望远镜卫星还将对银河平面、银心和核球进行高灵敏度、宽波段的X射线观测，有望在世界上首次系统地获得银河系高能天体活动的动态图像，并发现大量新的天体。

“宇宙中的天体一直在运动，它们有高有低，而这样的天体更多地集中在银河平面上。对该地区进行扫描和观察，发现新的爆炸源更有可能出现，其科学意义深远。”宋立明说，hxmt卫星在哮天地区的扫描观测区域每次为20 × 20，以一定的间隔和速度对天空区域进行扫描观测，然后通过对观测数据成像计算出天体源的位置和强度。

此外，在伽马射线爆发的工作模式下，hxmt将利用其扩展到200 kev-3 mev(兆电子伏)的探测能力，获得伽马射线爆发和其他爆发现象的新能谱和时变观测数据，这将有助于科学家了解高能和剧烈爆炸天体的基本属性，研究宇宙深处大质量恒星的死亡和中子星合并过程中黑洞的形成。

“hxmt用于监测硬X射线和软伽马射线能量段的接收面积是目前世界上最好设备的十倍。”它是这一能量段中最灵敏的伽马射线爆发探测器和引力波电磁对应监测器。”硬x光调制望远镜卫星系统总工程师马世军自豪地说。

“慧眼”在哪里

hxmt卫星上天后，银河中的星星无法逃脱他的一双“眼睛”，这得益于他独特的技能。

Hxmt卫星通过探测硬X射线辐射可以了解被监测星源的相关信息。然而，硬x光成像是非常困难的。目前，世界上主要采用的成像技术有编码孔径成像和多层膜掠入射望远镜聚焦成像，但它们对探测器的精度要求高，设计复杂，成本高。

中国学者独创的直接解调成像方法是在一定的物理约束下直接求解原始测量方程，可以同时获得高灵敏度和高分辨率的空.“这使我们能够通过仔细设计观测模式和有效处理随后的数据，获得准确的信息，如星源的位置、能量分布和相关变化。”宋立明说。

直接解调成像的实现需要一个前提，即x光观测仪器的精确校准过程——校准。

hxmt卫星测量天体的X射线，需要知道天体X射线的能量、电流强度、方向等信息。为了准确地测量这些信息，我们必须首先清楚地掌握望远镜的响应函数。就像用尺子测量一样，你必须保证尺子的刻度是准确的。测量仪器的校准就像用更精确的长度标准校准尺子一样。

在标定过程中，通过放置在标准平台上的仪器测量x射线源，记录产生的信号，建立入射已知信号和产生的信号之间的关系，即准确获得仪器的时间响应、能量响应和空之间的位置函数。这样，在从望远镜获得观测数据之后，就可以准确地推断出被观测天体的x光辐射特性。

“以前，我们没有配套的地面校准装置。因此，在开发hxmt的过程中，我们投入了大量精力来构建两个大型校准设备，并成功完成了所有检测器的校准。”宋立明说。

hxmt卫星的另一项独特技能是其监测伽马射线爆发的能力。

“这实际上是一个美丽的巧合。”宋立明解释说，在最初设计这颗卫星时，没有伽马射线爆发观测模式。然而，近年来，学术界对伽玛射线暴越来越重视，特别是引力波的发现，使得伽玛射线暴的研究越来越重要，于是卫星探测仪器得到了重新开发。

通过调节高能X射线望远镜主探测器光电倍增管的高压，主探测器的探测能量范围从20-250千电子伏到200千电子伏到3兆电子伏，这正是伽马射线爆发能量最集中的区域。通过这种方式，hxmt卫星可以全天高灵敏度地监测伽马射线爆发，而不影响原来的科学目标，这大大提高了其科学能力。

“与以前的设备相比，hxmt卫星监测伽马射线暴的有效面积可增加约10倍，并能探测到足够的伽马射线照射，这对我们深入研究伽马射线暴的详细结构非常有帮助。”马世军告诉记者，由于引力波爆发也可能产生伽马射线爆发，hxmt在寻找引力波的电磁对应物方面也具有明显的国际竞争力。

如何训练你的眼睛

Hxmt卫星可以用一双眼睛识别银河系中的星星，但它在练习家政技能的过程中一定经历了许多艰难困苦。

检测技术基础差，少数关键部件无法国产化，载荷开发团队在航天工程方面经验不足...自从……hxmt卫星于2011年正式发射以来，中国科学院高能研究所的专家们从未停止过克服困难。

hxmt卫星上使用了许多新的探测技术，但这些技术从未在中国空有过飞行经验，而且所需的部件与中国航空航天规范的要求不一致。“在处理检测技术对工作环境、组件和电路的影响时，我们显然感到缺乏经验。”宋立明坦率地说，这导致了在开发中低能量x光望远镜的过程中进行了许多重复的实验。

既然有这么多困难，我们为什么要开发这样一颗卫星？当被问及这个问题时，宋立明的眼睛流露出一丝坚定。“x光不能穿透稠密的大气层，发射x光天文卫星是观察天体x光辐射的主流手段。中国是一个航天大国，但与发达国家相比，空科学仍然薄弱，hxmt卫星的成功发射将为中国科学的发展打开一个关键的突破口。

经过多年的不懈努力，高能研究所的专家们已经突破了以微弱信号读取和处理为主导的多种检测技术；自主研发数百纳米透明软x光遮光膜、中低能x光望远镜探测器等关键部件，打破国外技术封锁。其中，在低水平X射线望远镜探测器的研发中，低噪声读出问题得到了成功解决，系统的能量分辨率达到了世界最佳水平。

此外，一双“眼睛”的培养也离不开中国科学院高能研究所专家与中国航天员的真诚合作。

“航空航天工程和管理经验的缺乏给我们的研究和发展提出了一个难题。在这方面，中国航天科技集团第五研究院(以下简称“航天五所”)的专家给予了我们很大的帮助。”在谈到合作时，宋立明告诉记者一个故事:为了充分利用高能x光望远镜的观测能力，在卫星设计完成后，高能研究所的专家们提出了一个新的科学目标——监测伽马射线爆发。

当观察源被阻断时，伽马射线爆发观察模式开始。增加这种新的工作模式对卫星提出了更高的要求。首先，我们必须知道观察源何时被阻断。其次，我们必须控制卫星上的仪器按照程序工作。

“这些都需要通过近100条预先编程的指令来完成，但最初的卫星并没有为这些指令预留存储空间。为了实现这个科学目标，我们放弃了空在卫星控制方面的一些指令。”马世军表示，这反映了第五航空航天研究院的工作理念，即在满足技术可靠性的基础上，最大限度地满足科学需求。

“不仅如此，第五航空航天研究院的专家也亲自帮助我们筛选部件，并为我们提供购买航空航天材料的相关经验。”宋立明无法掩饰他的感激之情。

在hxmt卫星项目的研发中，第五航天研究院承担了卫星平台的研发任务，中国科学院高能研究所负责提出科学目标、研制有效载荷、处理和分析科学数据。

中国尖端科学的两个“梦之队”以精湛的技术和精确的测试的研发理念，为中国和世界各地的科学家建造了台空望远镜，以齐心协力的精神，树立了航天、科学、工程和技术完美融合的时代典范。(经济日报中国经济网记者严)

(编辑:胡风)