中国首颗X射线天文卫星征程

摘要: 【“慧眼”望远镜将被用于巡视银河系中的X射线源,详细研究黑洞和脉冲星,并监测伽马射线暴,探索利用脉冲星为航天器导航,发现新天体或已知天体的新活动】

09-05 23:58 首页 中国经济报告

【“慧眼”望远镜将被用于巡视银河系中的X射线源,详细研究黑洞和脉冲星,并监测伽马射线暴,探索利用脉冲星为航天器导航,发现新天体或已知天体的新活动】

□王刚

望远镜的出现,让人类的目力所及,从银河系拓展到更远的其他星系。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,还要绕开大气层的阻碍,架进太空。于是,有了FAST,有了哈勃,有了刚刚睁开的“慧眼”。

2017 年6月15日上午11点,中国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功发射硬X射线调制望远镜卫星(HardX-ray Modulation Telescope,HXMT)“慧眼”。科学家们希望它是观察宇宙的一只“慧眼”,同时也为纪念高能物理领域内的杰出女科学家何泽慧。6月16日,“慧 眼”就成功把第一批数据传送回来,经验证,数据质量良好。

从外形和体格来看,“慧眼”卫星并不算大,只有2500千克。不过从工程和技术指标上讲,这颗卫星在同类卫星中优势非常明显,其功能、性能非常强,可对宇宙天体高能事件实现全天时、大范围观测。不同于镜面望远镜受制于其面积和视场,在巡天过程中,“慧眼”探测面积更大、探测到的信号更多、效率也更高。要想了解这颗新型卫星,就必须先熟悉两个概念:“硬X射线”和“调制”。

 

看不见的宇宙

 

“硬X射线”是X射线的一种。对X射线,我们是熟悉的,在医院拍摄透视片,在各类安检中,都接触过它。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。它们有的根本不会发出可见光,有的被厚厚的尘埃所遮挡。普通的可见光望远镜都看不到它们的影子,需要用X射线观察才能发现。所以,发射望远镜卫星在空间轨道捕捉X射线,特别是硬X射线,就成为各国科学家竞相追逐的目标。


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”打进水塘里一样,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10keV以下的,就被称为软X射线。


人类第一个X射线天文卫星叫“乌呼鲁”(Uhuru),是在美国科学家里卡尔多·贾科尼(RiccardoGiacconi)领导下于1970年在肯尼亚发射升空,在约3年的运行时间里,确定了350个X射线源,包括X射线双星、超新星遗迹、星系团、塞弗特星系等。贾科尼因在X射线天文学方面的先驱性贡献而被授予2002年的诺贝尔物理学奖。

 

调解成像的优势

 

“慧眼”卫星设计寿命4年,呈立方体构型,在距离地面550公里的轨道上运行。“慧眼”携带了高能、中能和低能三种望远镜和空间环境监测器,实现X射线探测全覆盖,可观测1-250keV能量范围的X射线和200keV-3MeV能量范围的伽玛射线。其主要载荷为18个复合晶体探测器,这些探测器也正是“慧眼”的眼睛。


“慧眼”卫星采用直接解调成像方法,通过扫描观测可以完成宽波段、高灵敏度、高分辨率的空间X射线成像,具有复杂的热控保障、对地测控与数传保障,以及载荷长期工作下的能源保障能力。与复杂、昂贵的编码孔径成像系统相比,直接解调方法具有简单准确的优势。 


由于更充分地利用了数据中有关测量对象和测量仪器的信息,同样的数据经“直接解调”方法可以得到比传统方法好得多的反演结果,分辨率高,同时噪音干扰被有效抑制,背景异常干净,可以极大提高探测定位的精度。

 

“慧眼”的主要工作任务

 

“慧眼”卫星是继中欧合作地球空间探测双星,“悟空”号暗物质粒子探测卫星和“墨子”号量子科学实验卫星之后,中国又一颗重要的空间科学卫星。


“慧眼”主要工作包括巡天观测、定点观测和小天区扫描。具体来说,“慧眼”将开展四方面的空间探测活动:一是将对银道面进行巡天观测,发现新的高能变源和已知高能天体的新活动;二是通过观测和分析黑洞、中子星等高能天体的光变和能谱性质,加深对致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程的认识;三是在硬X射线、软伽玛射线能区获得伽马射线暴及其他爆发现象的能谱和时变观测数据,研究宇宙深处大质量恒星死亡以及中子星并合等导致的黑洞形成过程;四是探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理,并开展在轨实验。

 

“挑剔”的望远镜

 

对很多不了解背景的人来说,“慧眼”仿佛一夜之间横空出世,并且一步把中国带入到X射线天文学时代。而对于中国天文学家而言,这是一个漫长而焦灼的过程,并在此间克服了重重困难。


1.监测“慧眼”长期在轨状态。“慧眼”设计寿命长达4年,入轨后,将在空间环境下长期运行。一方面,空间环境毕竟和地面环境不一样;另一方面,随着探测器的长期工作,可能会出现老化现象。这些因素都可能导致探测器性能指标的漂移,为了监测“慧眼”长期在轨运行状态,中国计量院和中科院高能所基于放射性活度计量技术,为“慧眼”研制了18枚活度在豁免水平的在轨标定放射源,随时都可以对探测器的性能指标进行监测,并以此为依据及时对相关参数进行调整,保障卫星在轨运行期间的性能稳定。


2.没有关机重启的直播。作为一个全天时工作的天文观测卫星,“慧眼”的数据传输系统被形象地称为24小时无间断且没有关机重启的直播。于一般卫星而言,对受到影响的卫星设备实施关机重启,是纠正错误的一种被动选择。不过,针对需要数据传输4年不间断工作的“慧眼”来说,关机重启就意味着数据中断,有关任务目标就无法实现。于是,科研人员给“慧眼”配了一名专属的“太空信使”—数据传输分系统。它的主要功能是将硬X射线望远镜搜集到的数据,实时传输到数据记录系统或通过无线方式传输到地面接收站。


3.避免单粒子翻转的影响。太空中的强辐射对卫星的敏感器件来说可是“致命杀手”。研制人员在卫星容易受辐射影响的部位加厚防辐射包裹——类似孕期的准妈妈常穿着防辐射服,来保护腹中的宝宝一样。当然,这一层威胁还较容易得到化解,但是免于单粒子翻转对卫星芯片等产品的影响要复杂和艰难得多。

所谓单粒子翻转,是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。卫星和地面计算机一样,数据均是采用二进制的“0”“1”来存储、传输和读取。单粒子不定期来袭时,数据传输分系统的某些器件一旦受到高能单粒子的撞击,就会使存储的“0”变成“1”,或者“1”变为“0”,导致数据严重错误,重者会导致传输中断,更别说正确解读、实时传输天文数据了。为此,科学家将重要数据分别存储3次,也就是给1个数据做两个备份。如果数据被高能单粒子篡改,系统会根据另外两个没有被改变的数据,进行自我修复。


 4. 不能见太阳的望远镜。从值守的位置来看,必须确保“慧眼”望远镜不见太阳,直射、斜射都不行,以免辐射增温,增加探测器的噪声。为此,科研团队采取主动和被动控温相结合的方法,采取多极隔热、深冷热管技术以及优化观测状态等手段,多管齐下,尽可能满足卫星有效载荷的苛刻需求。还很温馨地给卫星戴上了一顶“太阳帽”——遮阳板。

 

“属于中国人”的未知宇宙

 

经过60多年的发展,中国航天在空间技术、空间应用、空间科学三大领域均取得了长足的进步。“慧眼”卫星的成功发射,将显著提升大型科学卫星的研制水平,填补中国空间X射线探测卫星的空白,实现中国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。


与欧美发达国家相比,中国在空间科学方面无疑还处于起步阶段,但仍然有迎头追赶的机会。中国硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”,将是今后这段时期研究黑洞动力学过程独一无二的“利器”,是X射线天文学发展史上的一座里程碑。

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,但也许是最重要的一步。因为这一步,中国天文学家迈进了那片“属于自己”的未知宇宙。

 

(作者为中国科学院物理研究所研究员)

 


 



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