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送一个X射线天文台上天,厉害了,我的“慧眼”!

时间:2017年06月15日 信息来源:果壳网 点击: 【字体:

采访 | 喻菲 全晓书 屈婷

审稿 | 张双南


“慧眼”上天了!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。供图:“慧眼”项目组




看不见的宇宙

在远离城市的晴好夜空,有安详的夜色,有静谧的繁星。偶尔,也会有划过的流星。总是宁静温柔的夜空。凝望这片寂静的深邃,你看不到,在黑暗里,还隐藏着一个狂躁、炽热的宇宙。

公元185年,天空中突然闪耀出一颗星星,彗星般明亮,却一动不动,在夜空中挂了8个月的时间。

公元1006年,几乎整个北半球的人都发现夜空中多出了一颗星星。天文学家推测,在那一年的春天,人们甚至可以借助这颗星星的光芒在半夜读书。

这是一千多年前就被记录下来的两次超新星爆发。《后汉书》和《宋史》中分别写着“大如半筵,五色喜怒”,“煌煌然可以鉴物”。

再稍晚些,1054年,那次出现在金牛座天区,被称作“天关客星”的超新星大爆炸,还留下了绚烂多彩的蟹状星云……



1054年, 在《续资治通鉴长篇》中,宋朝的天文学家也记载了一次超新星爆发。蟹状星云就是这次大爆炸的产物 。图源:Wikipedia

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。即便是算上那些还没有被证实的疑似记录,2000年间,也不过20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。银河系里就有为数众多的中子星和黑洞。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射线和可见光一样,本质上都是电磁波,都具有波粒二象性,只是波长与能量不同,所以在传播的过程当中显现出来的性质也有所不同。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。

能量越高,“炮弹”的速度就越快,X射线也就越“硬”。按照科学家的传统划分,能量在20千电子伏(keV)以上的X射线,就被称为硬X射线;能量在10 keV以下的,就被称为软X射线。



不同波段的X射线、红外线,以及可见光混合在一起的开普勒超新星残骸照片。图源:Wikipedia



美国有镜面

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。钱德拉的镜面有多平滑呢?如果把这个镜面放大到地球一样大小,按照镜面的粗糙程度来计算,这个“地球”上最高的山峰只有不到2米高。

不过,这么平滑的镜面也无法让硬X射线聚焦成像。硬X射线的能量实在太高了。用大炮打水漂。

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79 keV。NuSTAR的镜面由高密度材料和低密度材料反复重叠200层左右镀成,每层的厚度和表面粗糙度都达到了原子量级。




中国有算法

NuSTAR镜面的制造难度,对一个国家的工业水平有极高的要求,国内至今还无法制造出如此光滑的镜面。于是,中国的科学家就另辟蹊径,提出了直接调制成像法。用算法,弥补了制造工艺的不足。





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一种新的算法,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”有神通

“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。

“直接调制技术在当时是非常好的一种办法。然而,从1993年提出想法到2011年真正立项,十八年过去了,科学前沿的发展以及X射线探测技术都有了较大的变化,所以,我们也对这颗卫星的研究目标和手段进行了调整。”HXMT首席科学家张双南解释说。

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。



中科院高能物理所用于检测、调试“慧眼”电气性能的1:1测试模型。它搭载着与“慧眼”一模一样的观测仪器。照片中的“平台”上面,左边的方盒子是低能(软)X射线探测器;右边的方盒子是中能X射线探测器;平台中央则呈蜂窝状分布着18个高能(硬)X射线探测器。摄影:婉珺

“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。用项目组青年科学家熊少林的话说:“对于同样能被观测到的源,你探测到的光子数少,而我探测到的光子数多,我就会比你发现更多的特性。”

“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。“天空中有很多暂现源,毫无征兆地就爆发了,又会毫无征兆地消失。扫描观测可以进行有效监测,比较容易发现这些暂现源。”熊少林说,“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,新发现的概率更大,甚至是全新的闻所未闻的现象。”

“慧眼”也不怕盯着强光。“聚焦型望远镜不适合观测强源,因为它会把所有X射线的光子都聚到一点上,曝光量过大,所以一看太亮的源,就白茫茫一片。我们是准直型望远镜,可以把光子分散开,堆积率很低,所以看多亮的源,都不会晃瞎眼。”“慧眼”的软X射线探测器主任设计师陈勇说。



这18个“黑盘子”就是“慧眼”的硬X射线探测器,覆盖了20keV-250keV的观测能区范围,将主要用于探测黑洞和中子星。图片来源:果壳视频

“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。“我们专门为此进行了特殊设计,来缩短‘死时间’。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”的硬X射线探测器主任设计师刘聪展说。

不仅如此,卫星首席科学家张双南还创造性的“变废为宝”,对卫星上原本用于屏蔽干扰粒子的探测器稍加调整,把“慧眼”变成了目前世界上面积最大,灵敏度也最好的伽玛暴探测器。而且,因为是“变废为宝”,“慧眼”在观测伽玛暴的时候都不需要正对着目标源。




“慧眼”中波澜壮阔的宇宙

“以前中国没有自己的太空望远镜,分析研究都得用国外的卫星数据。”

“用人家的二手数据,就像是捡漏。要想从中有发现,就要花费很多时间精力,寻找与别人不同的角度。”

“好的科学成果人家都做完了,我们只能去他们的历史数据库中发掘。”

……


研究只能依靠别人的数据和仪器,让每一位相关的中国天文学家都很难受。 20多年间,所有的创造力,为的,就只是让我们拥有自己的“慧眼”,去看见那个潜伏在星空中极端炽热的高能宇宙,看见繁星不断上演的生死故事,还有那些宇宙中稍纵即逝的惊鸿一瞬

 “我们将用‘慧眼’对银河系进行非常详细的大天区扫描巡天,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。”HXMT首席科学家张双南说:“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。所以我们要在黑洞附件进行观测,看观测结果与广义相对论的计算是否相符。这是我们想做的研究。”




我们想看……

闪耀的双星

宇宙中最明亮的X射线源,是银河系中包含有黑洞或中子星等致密天体的X射线双星。它们大部分都是变源,因此观测它们的光度随时间的变化(时变)非常重要。由于聚焦型望远镜观测亮度很高的源时信号容易饱和,所以聚焦型望远镜很难对亮度很高的源做详细的研究。而“慧眼”没有镜头,信号不会饱和,探测器面积还很大,可以对亮的源做非常细致的研究,能够观测到亚毫秒级的时变。

在X射线双星里,致密星吸积伴星物质,强大的引力势能转化为辐射能释放出来,就产生了X射线。但其中许多具体细节仍有未解之处,比如吸积是如何进行的,X射线耀发时究竟发生了什么?

在吸积盘上越是靠近致密星,物质运动得越快,温度越高,产生的X射线能量也就越高。用“慧眼”观察吸积盘不同能段的时变,就能够比较全面地掌握吸积盘的结构信息。从中就能理解在最极端的引力场中,物理规律将以何种面貌表现,进而掌握黑洞自转情况等科学信息。

狂暴的黑洞

黑洞有时很冷静,有时脾气很暴躁。如果一个黑洞什么都不干,谁也看不见它。但是当周围有点东西在往黑洞里落的时候,跑得越来越快的物质会造成气体密度越来越高,温度也越来越高,于是就会产生X射线。物质的质量或结构不同,就会产生不同的X射线。通过这些X射线,科学家就能了解黑洞的性质。

不同的黑洞周围的物质分布是不同的,物质如何掉进黑洞的表现也不一样。有时候黑洞会非常暴躁,物质落的速度非常快,最极端的现象就是产生伽马射线暴——因为落入黑洞的物质太多而产生了极端相对论喷流。

当黑洞处于很暴躁的状态,它产生的X射线流强特别高。国外的X射线观测卫星可以非常灵敏,但是适合看弱光,遇到X射线特别强时信号就会饱和了。比如钱德拉X射线望远镜就适合看安静的黑洞。而“慧眼”在有些能段的有效探测面积是有史以来最大的,虽然它不能聚焦,但是特别适合观察暴躁的黑洞和中子星。

张双南说:“我们对银河系的扫描也是要看黑洞的脾气到底怎么样,因为以前只知道有些黑洞突然就发脾气了,但为什么,我们不知道,因为还没有对它们进行长时间的研究。所以我们希望对银河系、银道面的黑洞和中子星做比较详细的普查,有的黑洞也许每年发脾气三次,有的可能四年发一次脾气,或者每次发脾气的程度不一样,到底是什么原因造成的,我们就想了解这些情况。”



“慧眼”项目首席科学家张双南给果壳网主笔Steed讲解“慧眼”搭载的主要探测仪器。图片来源:果壳视频

脉冲星的脉象

脉冲星是极端物理的天然实验室。脉冲星同时具有超强的引力场、电磁场(强度甚至可达地球磁场的上千亿倍)和核密度。引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力,这四种基本力在这里都处于极端条件之下。

科学家并不知道中子星的内部是什么,只有理论预言,说恒星的演化会形成这样一种天体,里面的物质主要是以中子为主。后来人类发现了脉冲星,认为脉冲星就是中子星。一颗中子星的质量是太阳的1.5倍,直径10公里,密度跟一个原子核的密度差不多。

现在物理理论还不能很好地描述这种状态下的物质,因为地球上的实验室达不到这样的密度。因而我们只能通过观测,提出各种理论模型。脉冲星的脉冲是怎么来的?脉冲星周围的磁场有事怎么来的?脉冲星的辐射机制是什么?脉冲星的能量又从哪来?这些问题,都等着慧眼的支持,来推动研究的发展。

伽玛暴和引力波

伽马射线是能量最强的电磁辐射,它在星空中的耀发预示着宇宙中最极端的事件。但科学家对伽玛暴也只有一个大致的图像。伽玛暴的能量是怎么释放出来的?又是怎么以几乎光速的喷流把大量物质抛射出来的?这些细节,都不清楚。

通过伽马暴可以研究恒星、星系和宇宙三个层次上的物理现象和规律,近年来一直都是天文领域的热点。伽玛暴与引力波也有联系。目前普遍认为持续时间较短的一类伽马暴是由两颗致密星并合产生的,包括两颗中子星或者一颗中子星和一个黑洞。恰恰这种双致密星并合也能产生强烈的引力波信号,是LIGO等引力波探测器的主要探测目标。换句话说,伽马暴很可能是双致密星并合产生的引力波事件的电磁对应体。

“引力波已经探测到好几个了,但是没有一个找到对应天体。我们做天体物理研究的知道,如果只在一个波段观测,往往信息是不完整的,所以我们非常希望看到引力波产生的时候也有X射线、伽马射线或其他波段的信号,因为这些我们已经熟识的电磁波信号能够帮助我们更好的认识引力波。” 张双南期望,通过“慧眼”的追踪,能够建立起伽玛暴与引力波之间的联系。

大胃王和更多的秘密

至今为止,几乎所有已发现的星系的中心,都存在一个质量约为太阳数百万,甚至数十亿倍的巨大黑洞,通过无比强大的引力大量吸积周围的气体和尘埃。这些巨无霸“吃”得太快太多也会“打嗝”——多余的物质会转化为两道垂直于吸积盘的喷流。极端高速的喷流,和最靠近黑洞视界的炽热物质就会产生明亮的X射线辐射,足以穿透数十亿光年的距离 。

这些巨无霸都是星系形成与演化过程中的重要环节。然而科学家对它们的形成与成长都知之甚少。通过“慧眼”,科学家将能够穿越重重尘埃的遮挡,看到活动星系核最为核心的黑洞视界附近,了解那些超强引力场的秘密。

……


有太多秘密还隐藏在那片未知的宇宙当中。“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

“我希望我现在预言的重要成果都说错了,”张双南说,“那就说明,‘慧眼’看到了更重要的秘密。”


致谢 | 本文由新华社中国特稿社提供采访素材


编辑:吴欧

排版:小米

题图来源:“慧眼”项目组



(作者:佚名)
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