2017年6月，「慧眼號」硬X射線調製望遠鏡發射升空，來到了高度550千米，傾角43°的近地圓軌道。
經半年多的校驗與測試，2018年1月，「慧眼號」正式交付使用，成為我國科學家放眼星空、探索宇宙的利器，也成為世界上測量頻譜範圍最廣，分辨本領最強的X射線調製望遠鏡。
那麼，什麼是硬X射線？這隻「慧眼」是如何洞察宇宙的？讓我們一起來了解下吧~
X射線也分「軟」「硬」？
X射線我們都不陌生，地鐵安檢儀，醫院CT儀都離不開它。這種射線和生活中無處不在的可見光、無線電波、紅外線、紫外線一樣，屬於電磁波的一種。不同的是，X射線能量非常高，比紫外線還高，僅次於γ射線，具有很強的穿透性。
根據能量的高低，X射線內部也可以細分為更多種類，如低能X射線、中能X射線、高能X射線，其中高能X射線因其能量極高，穿透力極強，常被人們稱為硬X射線。
宇宙中的天體會發出各種能量的電磁波，既有能量很低的射頻無線電波，又有人眼能看到的可見光，還有能量更高的X射線、γ射線。
為了全方位地看清宇宙的面貌，觀察不同天體的行為，人們建造了各種各樣的探測器，以分別探測不同的電磁波。
如中國天眼FAST就是專門探測射電電磁波的望遠鏡，而今天我們要介紹的「慧眼號」則是專門用來探測X射線的。
你們知道嗎？當中子星旋轉「起舞」，黑洞把其他天體「吸入」體內，巨大恆星坍縮爆炸時，往往會伴隨著大量硬X射線的產生。
如果科學家能夠「看到」這些硬X射線，並通過分析還原這些天文事件發生時的場景，就能進一步了解這些緻密天體的運行與演變規律，探究其中的物理原理，揭示浩瀚的星空中暗藏的秘密。
慧眼號正是一臺專門探測X射線的望遠鏡，藉助它，物理學家就可以「看到」X射線，並用它成像，找到遠在幾萬光年外的黑洞，並研究它的性質。
慧眼號是怎麼「看到」X射線的？
我們常說的「看到」，用嚴謹的物理語言來講叫做成像。對於一般的可見光，我們可以用折射和反射的方法精準地控制光線傳播的路徑，使收集到的光聚焦，呈現出清晰的圖像，這便是我們在用相機拍攝前「對焦」的過程。
如果對焦失敗，則會導致成像不清晰，甚至根本無法成像，就好像高度近視一般。
然而，硬X射線可沒有可見光那麼「聽話」，讓硬X射線乖乖地反射是一件非常難的事。2012年，美國發射的核光譜望遠鏡陣列(NuSTAR)利用掠射的方法，實現了最高能量為79keV硬×射線的聚焦成像。
但這種望遠鏡工藝複雜、造價極高、生產條件苛刻，需要消耗大量科研資源與經費。
那麼有沒有一種既「省錢」，又實用的方法來給X射線成像呢？
中科院高能物理研究所李惕碚院士和吳枚研究員開創性地提出了直接解調的方法，並將其應用在了「慧眼號」硬X射線調製望遠鏡。
通俗來講，這種方法不需要聚焦X射線，而是直接收集X射線，通過對接收到數據進行計算和分析，反演出遙遠天體的真實圖像。
就好比用一臺沒有對焦的相機拍一張模糊的照片，再通過嚴密的算法，用計算機還原出真實、清晰的圖像。
這種方法不需要對X射線聚焦，自然不需要複雜精密的光學系統，只需結構更簡單的非聚焦準直型望遠鏡即可，大大降低了研製費用。
大家可不要覺得「便宜」就意味著性能不好，直接調製的方法不僅能探測更高能量的X射線，而且解析度更高，受外界幹擾產生的噪聲信號更小，是一種物美價廉的探測手段。
應用了直接探測法的慧眼號最高可探測到250keV的X射線，並通過計算使其成像，達到了世界最領先水平。
研發期間工作人員對慧眼號進行調試
慧眼號的構造
那麼慧眼號具體是怎麼把如此高能量的X射線接收到的呢？這就要看看它的內部結構了。
除了衛星平臺和相關的電力、通訊系統外，慧眼號最核心的部分是三臺望遠鏡，分別為高能X射線望遠鏡、中能X射線望遠鏡、低能X射線望遠鏡。
其中，高能X射線望遠鏡專門用來收集能量在20到250keV的硬X射線。
它由18個單體探測器組成，就好像蜻蜓的複眼，由許許多多小眼睛組成，每個小眼睛都會收集一些光信號，這些光信號經過匯總和計算處理，最終整合出一張完整的圖像。
每個單體包括準直器與屏蔽環、NaI/CsI複合晶體、光電倍增管三部分。
當硬X射線向探測器衝過來時，一部分角度過大的射線被準直器和屏蔽環阻擋，只有入射方向和準直器方向相差不大的硬X射線能射入探測器內部。
射入內部的硬X射線首先打到NaI晶體，並與晶體相互作用發出能量較低的閃爍光，閃爍光向內傳播，被光電倍增管接收。
光電倍增管把接收到的光信號轉變為電信號，同時把電信號放大。增強的電信號會被臨時存儲並處理，並通過衛星平臺上的通訊系統傳遞給地面的計算機進行存儲與分析。
地面的科學家通過直接解調的方法就可以將衛星傳來的數據轉變為清晰、具體的圖像，一張硬X射線「照片」就這樣被拍了下來。
宇宙中充斥著各種射線，有些射線會產生噪聲信號，對拍照效果造成影響。另外，當我們觀測某個方向的星空時，難免會有從其他方向傳來的γ射線，這也會形成噪聲信號。
為了避免以上情況，科學家們用鉭製成準直器和屏蔽環，阻擋了大部分可能造成幹擾的射線。
即便如此，也難免有漏網之魚，尤其是穿透力更強的γ射線。於是人們在NaI後方放了一層CsI晶體。
當漏網的γ射線從後方射入時，會先被CsI阻擋，形成閃光，被光電倍增管收集，而不會與NaI發生作用。
可能有小夥伴會問，CsI和NaI都會形成閃光，怎麼能分辨這個閃光是噪聲的還是正常的硬X射線信號呢？
雖然二者都會發出閃光，但它們的衰減時間不同，NaI的閃光轉瞬即逝，CsI的閃光消失得相對較慢，地面科學家可以利用這一差異將噪聲信號排除掉，獲得更清晰的圖像。
可不要以為CsI產生的閃光一點用都沒有。由於準直器的存在，望遠鏡只能注視某一個特定方向，要想看較大範圍的星空，就要慢慢改變注視的方向，如掃描一般地，一行行看清其他方向的場景。
那麼如果在其他方向發生了一場γ射線暴，而慧眼號恰好注視著別的方向該怎麼辦呢？
由於CsI可以攔截其他方向入射的γ射線，因此CsI晶體除了能排除幹擾，還能作為一臺全天監視器，探測可能發生γ射線暴，既做到了「聚精會神」，又「眼觀六路」。
此外，衛星上還搭載了空間環境檢測器，專門用來檢測達到衛星上各種帶電粒子的方向、通量、能量高低。利用這些數據，科學家可以排除掉這些粒子帶來的幹擾。
為了更全面地觀測天體，慧眼號還搭載了中能X射線望遠鏡和低能X射線望遠鏡，可以看到1keV到250keV不同能量範圍的X射線，讓科學家一次獲得更多信息。
目前，慧眼號衛星正在550千米的高空中穩定地運行，一次次為我們傳來寶貴的數據。截止到2019年10月底，慧眼號科研團隊已發布十餘篇論文，有五項重要的成果獲得了國際認可。
這些成果中，有些發現了以前從未看到過的新現象，有些挑戰或驗證了現有理論模型，還有些為人類理解黑洞和中子星系統提供了新的線索。