慧眼如「矩」巧識星--中國數字科技館

　　2017年6月15日，伴隨著西部戈壁灘上的一聲巨響，我國在酒泉衛星發射中心成功發射硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，簡稱HXMT）衛星「慧眼」。

　　緊接著的一星期，慧眼上的高能、中能、低能3組X射線望遠鏡陸續開機，下傳數據良好，在軌測試和數據分析工作緊張有序地進行。

　　2018年1月30日，慧眼正式交付，投入使用。

　　三問慧眼

　　1. 慧眼是誰？上天之後能做什麼？

　　慧眼的哥哥姐姐——「悟空」號暗物質探測衛星、實踐十號科學實驗衛星、「墨子」號量子通信衛星——早已陸續上天了。它們作為我國首批科學衛星，承擔著重大的使命，要讓我國在空間基礎科學領域取得突破。而慧眼，就是這支隊伍裡的第4名成員，它要在空間X射線天文領域亮出自己的絕活。

　　2. 什麼是硬X射線，什麼又是硬X射線的調製呢？

　　國際上已經發射了非常多的科學衛星，讓望遠鏡飛上天去，開展天文觀測。它們通過接收天體發射出的電磁波，看清太空的模樣。比如，「哈勃」是一臺可見光波段大型望遠鏡，「錢德拉」主攻X射線，天宮二號上搭載的「天極」望遠鏡則把目標瞄準了伽馬射線。

　　在這一過程中，那些望遠鏡遇到了一塊難啃的硬骨頭，就是X射線。X射線是能量在1~250千電子伏之間的電磁波，其中能量在20~250千電子伏之間的就是硬X射線。由於X射線光子能量很高，打在鏡面上更容易被吸收或者直接通過，而不是發生反射或折射，就像將一塊巨石投入水中，只會直直地沉到水底，並不會打出水漂，所以，X射線源的成像觀測一度很難開展。

　　有沒有一張天圖把它們繪入其中呢？

　　面對這個世界級難題，20世紀90年代初，中國科學院高能物理研究所的李惕碚和吳枚發展了直接解調方法。他們沒有在鏡面上做文章，轉而用簡單成熟的準直型望遠鏡對X射線進行掃描探測，結合量身打造的圖像處理算法，讓X射線源成像。這種方法就叫調製。在此基礎上，我國提出建造和發射HXMT的構想。

　　3. 目前，國際上有十幾顆X射線天文衛星正在工作，慧眼還會有新發現嗎？

　　面對國際同行的直面競爭，慧眼研製團隊使出獨門絕技——一句話，擴展能段全覆蓋，點石成金巧利用。

　　慧眼早就架設了中能X射線（能量範圍5～30千電子伏）望遠鏡和低能X射線（能量範圍1～15千電子伏）望遠鏡，加上高能X射線（能量範圍20~250千電子伏，也就是硬X射線能段）望遠鏡，多管齊下，實現了1~250千電子伏的能區全覆蓋。也就是說，雖然慧眼的名字裡只提到了「硬X射線」，但它的觀測範圍覆蓋了整個X射線能段。

　　而它真正的實力還不止於此。慧眼研製團隊在不增加、不更改軟硬體的前提下，對高能望遠鏡的探測器的工作高壓做了適當調整，於是，主探測器中原本用於屏蔽幹擾粒子的碘化銫晶體就可以用來觀測伽馬射線暴了。這一招「點石成金」，將慧眼的觀測能區進一步推高到3000千電子伏。同時，它的探測面積超過了5000平方釐米，是國際上同能區探測器中面積最大的。

　　手握「寬波段」和「大接收面積」這兩把利器，慧眼能觀察到更多信號，看到對手看不到的天體和現象。

　　慧眼如炬，慧眼如「矩」

　　常見的望遠鏡都有長長的聚焦透鏡，是聚焦型望遠鏡。但慧眼上的高能、中能、低能3個望遠鏡都採用了矩形的直筒作為光學部分，是標準的準直型望遠鏡。為什麼慧眼要採用這樣的設計呢？

　　所謂聚焦型和準直型，是根據光路的走向劃分的。聚焦型望遠鏡通過設置不同角度的鏡面，讓進入視場的X射線光子發生反射，聚焦到焦平面探測器上。準直型望遠鏡沒有鏡面，視場內的X射線光子可以通過準直器，視場外的X射線光子打在準直器的壁上被吸收。

　　一臺準直型望遠鏡可以放置不同視場的準直器，從而使它擁有更大的視場。準確地說，它是一隻「大眼睛」，能看到的範圍很廣，雖然不擅長精確地去看天體的細節，但對掃描某個天區很拿手，所以慧眼的一項重要任務就是巡視銀河，也就是對銀道面進行掃描觀測。

　　準直型的設計對低能望遠鏡尤其適用。宇宙中的X射線源有個特點——能量越低，光子數量就越多。在觀測低能段亮源時，聚焦型望遠鏡會把所有X射線光子都聚到一點，導致曝光過度，只能看到白茫茫一片；而慧眼上的低能望遠鏡可以把光子分散開，不管看多亮的源，都不會晃瞎眼。根據統計，即使每秒射來4萬個X射線光子，慧眼都能夠區分得開。

　　與同一波段最知名的錢德拉X射線天文臺和牛頓多鏡面X射線空間望遠鏡（XMM-Newton）相比，準直型的慧眼表現出不懼強光的優勢，哪怕是面對蟹狀星雲脈衝星這樣的最亮的X射線天體，也可以「迎眼而上」，進行詳細觀測。

　　那麼，慧眼有沒有同為準直型望遠鏡的對手呢？有，那就是1995年發射的X射線天文衛星羅西X射線計時探測器（Rossi X-ray Timing Explorer，簡稱RXTE）。它的任務是探測X射線源的快速光變，特點是不能成像，但是具有良好的時間分辨本領、較寬的波段和較大的接收面積。慧眼的低能X射線望遠鏡雖然面積不如對方，但是勝在可探測能段更低，而且能量解析度要高得多，也就是可以獲得更為精確的能譜信息。

　　面對茫茫深邃的宇宙未知世界，人類的探索永無止境。在這個偉大的進程中，慧眼力爭做到獨一無二。

　　慧眼有效載荷結構示意圖

　　下面的3個矩形機箱為低能X射線望遠鏡，中間的圓形結構為高能X射線望遠鏡，上面灰色的3個矩形機箱為中能X射線望遠鏡。圖中透明的顏色只是為了區分不同的部件，不代表真實的表面顏色。

　　低能X射線望遠鏡結構示意圖

　　最外層的遮光罩內有8個格，分別放置不同視場的準直器，準直器上面安裝有遮光膜和探測器。圖中透明的顏色只是為了區分不同的部件，不代表真實的表面顏色。

本文來自《科學畫報》