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硬X射线调制望远镜卫星:巡天监测 刷新人类认知极限

时间:2015年11月05日 信息来源:《科学新闻》空间科学先导专项特刊 点击: 【字体:

 HXMT 的发射升空,将实现高灵敏度和高空间分辨率的硬X 射线成像巡天,发现新天体和天体高能辐射新现象,带动中国天文学研究整体发展;推动深空探测和空间天文其他领域的发展。 

HXMT 卫星图

  北京玉泉路,中科院高能物理研究所粒子天体物理中心的洁净实验室里,安放着一台一人多高的白色圆柱形仪器,仪器上面镶嵌着18个圆孔,这个看上去像一台巨型蜂窝煤的大家伙,就是中国第一台空间望远镜的样机——“硬X射线调制望远镜”(Hard X-ray Modulation Telescope,简称HXMT)。

  早在上世纪90 年代初,HXMT的研制建议和方案就已由中科院李惕碚院士和吴枚研究员等提出。可是随之而来却是备受争议,冗长论证。

  HXMT 历经曲折,命运多舛。经过多年的延迟,HXMT 终于要在2016年年中发射升空。

  对于与HXMT 朝夕相处的科研人员来说,真是苦尽甘来,百般滋味心中绕。不过在他们心中,更重要的是要保证HXMT 的性能和工程可靠性。

  “目前,有效载荷(高能、中能、低能探测器)正在开展标定实验工作。地面应用系统科学应用部分正在组织整体联试,今年年底前科学应用部分的研制工作将基本结束。”HXMT 地面应用系统副总师、中科院高能所研究员宋黎明告诉《科学新闻》。

  HXMT 的发射升空,将实现高灵敏度和高空间分辨率的硬X射线成像巡天,发现新天体和天体高能辐射新现象,带动中国天文学研究整体发展;推动深空探测和空间天文其他领域的发展。

  刷新人类对高能宇宙的认知 

  X射线起源于天体上的高能物理过程,与高温、高密度、强磁场、强引力场等极端物理条件相关,是研究黑洞、中子星等天体性质的主要手段。由于地球大气的吸收,所以对天体的X 射线观测只能在地球大气之上进行。

  1970 年,美国发射了第一颗X射线天文卫星——“自由号”(Uhuru),实现了X 射线巡天,开创了空间高能天文的新领域,打开了人类观测宇宙的新窗口。

  然而,硬X 射线光子难以聚焦。传统方法是采用编码孔径成像技术,用位置灵敏的X 射线探测器阵列测量码板的投影,实现对某一天区的成像观测。但编码孔径成像望远镜的结构和成像算法复杂、本底高,限制了其巡天的灵敏度。

  为了解决这一问题,中国科学家提出了一种“物美价廉”的方法——“直接解调成像方法”。

  通过对解调过程的研究,李惕碚等人发现对空间成像观测、对仪器的精度要求可以转化为对观测模式的要求。他们利用一个准直器来限制探测器的视场,通过扫描获取数据,然后直接解观测方程来还原X 射线强度的空间分布。

  这样便可以利用精度不高的仪器,通过特殊设计的观测模式,得到高质量的天图。在1993 年的首次高空气球硬X射线扫描观测中,中科院高能所粒子天体物理中心成功地实现了对天鹅座X-1 高分辨成像。所以对于HXMT,巡天扫描模式可以实现对全天区扫描成像观测,定点观测模式又可以对特定宇宙天体进行细致的定向观测。

  “未来,我们将会使用这一仪器来对银河系进行非常详细的大片区扫描巡天,预期会发现一些新的黑洞活动,使我们可以研究的黑洞和中子星对象大大增加,也会带动地面上光学、射电望远镜对这些天体的观测。”中科院高能所粒子天体物理中心主任、中科院粒子天体物理重点实验室主任、HXMT 首席科学家助理张双南教授告诉《科学新闻》。

  自主研制 自有优势 

  从1999 年开始,国际上一些X射线空间望远镜陆续升空,大大开拓了人类的视野。如1999 年美国的“钱德拉”X 射线空间望远镜、欧空局同年发射的XMM- 牛顿卫星、2005 年日本发射的“天体-E2”X 射线天文观测卫星、2013 年入轨的美国“原子核光谱望远镜阵列”卫星等等。

  但是,这些天文观测卫星还无法实现宽波段X 射线(1~250 keV)大天区的巡天监测观测,而这也是HXMT的优势之一。

  HXMT 可以分为高能X 射线望远镜(High Energy X-ray Telescope,简称 HE)、中能X 射线望远镜(Medium Energy X-ray Telescope,简称 ME)、低能X 射线望远镜(Low Energy X-ray Telescope, 简称LE)三个主要科学载荷。

高能X射线望远镜电性联测

  “之所以采取这三组探测仪器,是因为随着国外一些天文观测卫星的发射,我们之前设定的一些科学目标已由国外卫星实现,因此在2011年HXMT 正式立项时,我们做了进一步的调整完善。因为重复的科学研究是没有意义的。”张双南表示。

  其中,HE 主要负责20~250 keV的硬X 射线探测任务,是HXMT 的主要载荷之一。它由18 个碘化钠(铊)/ 碘化铯(钠)复合晶体主探测器和准直器组成,主探测器的视场由18个不同栅格取向的准直器限定。

  ME 是HXMT 有效载荷的子系统,探测器采用864 片硅光二极管(Si-PIN)阵列探测器的技术方案,共有1944 个探测器单体,探测面积为952 平方厘米,覆盖能区在5~30keV。

  LE 则选用扫式电荷器件(Swept Charge Device,简称SCD)加准直器的技术方案。LE 的能量覆盖范围应在1~15 keV,探测面积约382 平方厘米,能量分辨率小于等于450 eV,时间分辨率小于等于1 ms。

  仪器的增加,进一步加大了卫星技术的研发难度。更何况,“所有的仪器都是由我们自主研制的”,张双南说。

  空间科学对仪器性能的要求近乎苛刻。在技术研发过程中,难以预期的情况太多,而且对整个项目的所有载荷研制缺乏经验。因此科研人员常常感觉已用到了已有技术的极限,甚至有时已有技术的极限还仍然无法满足卫星任务的要求。

  尝试、失败、再尝试、再失败……直至成功。可以说,HXMT 上任何一项看似简单的任务都是经过无数次试验而完成的,有些甚至是从零起步。

  在HXMT 的研制过程中, 负责地面科学应用系统的宋黎明发现,我国空间天文科学应用系统的基础很薄弱,没有多少可借鉴的经验。于是,他们在学习国内外类似系统的基础上,通过反复摸索和试验,终于建成了能满足HXMT 需求的科学应用系统。

  由于空间探测所工作的外太空环境非常恶劣,充满着各种成分的粒子,这些粒子的存在导致探测器的探测本底非常复杂,是对目标探测的干扰成分,有时本底的强度要大于要探测的目标。

  于是,科研人员专门设计了针对本底测量的探测手段,“目前的模拟结果表明会对本底的测量达到很高精度,非常有利于得到高精度的探测结果,我们正在开展这方面的研究,这也可能是HXMT 整体设计中的一个亮点。”宋黎明说。

  另外,HXMT 仪器整体面积比较大,有比较宽的观测能段,在有些科学目标(比如银河系内的一些黑洞、中子星的高精度观测研究等)上仪器几乎没有饱和,因而作为高统计量、高时间分辨率的研究方面很有优势。

  “我们希望利用这种优势,对中子星和黑洞的研究、对于它们如何和它们周围的物质相互作用等方面能取得更多新成果。”张双南充满期待。

  方兴未艾 重重挑战 

  由于X 射线空间望远镜一直持续不断地涌现出重大天文发现,所以世界一些国家还正在研制新的空间高能天文望远镜。

  从今年往后的两三年时间,国际上还会陆续有X 射线天文卫星的发射,等到硬X 射线调制望远镜卫星上天的时候,“大概天上会有约11 颗X 射线天文卫星同时运行,这在历史上是从未有过的”,张双南说。

  到那时,将会迎来国际上X 射线天文卫星的高潮,而HXMT 的加入是一个非常好的机遇。

  然而,挑战总与机遇并存。在高度竞争的情况下,如此多的先进仪器“同台竞技”,将对科研人员提出更高的要求。一方面,科研人员必须要保证HXMT 仪器的完好运行;另一方面,获取数据之后,科研人员必须要在非常短的时间内分析出成果。当然,这还需要与国际上的其他卫星一起协同观测,同时还要兼顾地面上的设备运行。

  不过,HXMT 的设计寿命只有4年。但是国际上同类卫星尽管设计寿命也是3~4 年,但是健康运行10 年以上的非常普遍。团队也希望HXMT能够延寿运行,获得更丰富的科学成果。

  目前,以观测X 射线天体的多波段快速光变,探测X 射线源的偏振,研究黑洞、中子星等极端天体中的物理规律和高能辐射过程以及研究银河系的弥散X 射线辐射的性质为主要科学目标的X 射线时变与偏振探测卫星(XTP)与以暗物质的搜寻、原初宇宙射线各成分能谱的精细测量以及伽玛射线巡天观测为主要科学目标的空间高能宇宙辐射探测设施HERD 正处于背景型号研究阶段,计划今年完成关键技术攻关,进入工程研制。这将成为未来中国天文观测的重要力量。■

  



(作者:倪伟波)
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