今天中国再发一卫星上天——硬货

文章作者:lili | 2017-06-15
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今天上午11点,我国成功将第一颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope)发射升空。可能大家比较奇怪为什么有个硬字?其实相对于人类用于医学的X光机,它具有穿透力更强的特点。那么这个硬家伙拿来做什么呢?其实就是一二三——“一奇(黑洞)、二星(中子星、夸克星)、三极端(极端引力、极端密度、极端磁场)”

HXMT发射场试验队和整装待发的HXMT卫星的合影(作者 供图)

HXMT发射场试验队和整装待发的HXMT卫星的合影(作者 供图)

 

  我国第一颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope)卫星于6月15日11时整成功发射。很多朋友会说这个卫星的名字“硬X射线调制望远镜”,包括它的英文“Hard X-ray Modulation Telescope”以及英文缩写“HXMT” 光读下来就比较困难,更别说理解它用来做什么了,看来它真的是名如其星,令人感到晦涩难懂。

  关于这颗卫星,你一定有很多的问题很好奇吧,下面为大家一一解答。

  什么是“硬X”射线,什么是“调制”?

  我们先从它的名字说起。

  名字中的硬X射线是相对于软X射线而言的。所谓的硬X射线就是能量比较高的电磁波(20-250 keV),具有很强的穿透能力,医院里人体透视检查用的就是它。而它对应的能量较低的(约10 keV以下)的电磁波就叫作软X射线。

  硬X射线波长很短,所以很难用光学望远镜成像,因而对于硬X射线的探测,国际上的普遍办法之一便是采用准直型望远镜对其进行探测,但是,准直型望远镜的缺点在于它会损失很多探测光子的信息,从而导致这种方法的探测结果精度较低。

  在上个世纪90年代,中科院高能物理研究所的李惕碚院士和吴枚研究员提出了用非线性数学手段,直接对探测器阵列的扫描数据进行求解成像,这一直接解调法能够使低分辨的非成像探测器实现高分辨成像,调制望远镜中的“调制”就是源自这一算法。

  HXMT有中英文名字,还有昵称呢

  为了解决硬X射线调制望远镜卫星读起来绕口这一问题,HXMT科学家团队可谓煞费苦心,在面向社会广泛征名的情况下,他们最终为其酝酿了一个好听的名字叫做“慧眼”,英文名字“Insight”。

  这个名字也代表了HXMT科学家团队的心愿——用来纪念我国高能天体物理奠基人之一何泽慧院士,希望这架空间望远镜能如她的眼睛一样,寻找高能天体的美丽风景。同时也期冀HXMT卫星慧眼如炬,能穿过星际物质的遮挡发现黑洞,探索极端宇宙的内在美。

  至于她的昵称嘛,继续往下看,后文中再揭晓喽……

  HXMT卫星研究什么?

  我们的宇宙看起来神秘而安静,其实到处都在不断发生着各种剧烈的爆发和演化现象,有黑洞吞噬物质、恒星生命最后的壮丽焰火,以及宇宙深处最剧烈的爆发,这些高能天体物理过程都会向外辐射X射线甚至伽马射线,所以可以通过观测X射线和伽马射线来研究这些天体的性质及辐射的行为。

  大家都知道,所有物体都会向外辐射电磁波,电磁波根据波长可分为:射电、红外线、可见光、紫外线、X射线、伽马射线,宇宙到达地球的电磁波,经过大气层的阻挡,最终到达地表面的主要是可见光。由于X射线和伽马射线无法穿透地球大气层,所以想观测宇宙中的各种天体的行为,只能借助太空望远镜。

  今天我们发射的这颗HXMT卫星,观测的范围是美丽的银河系,研究的对象主要是黑洞、中子星和伽马射线暴等致密天体和爆发现象。

  黑洞这一早就被大众所熟知的神秘天体,具有极强的引力场,能吞噬一切包括光线,黑洞是广义相对论的一个预言,我们研究黑洞可以来验证广义相对论。由于黑洞附近的物质的密度和温度都很高,所以产生的主要辐射是在X射线波段。事实上,天文学家发现的第一颗黑洞天鹅座X-1就是用X射线天文望远镜发现的。

  中子星是某些恒星演化晚期发生超新星爆发的产物,密度非常高,表面磁场非常强,孤立的中子星和处于双星系统中的中子星都可以发出强烈的X射线。对于中子星的X射线观测,可以测量其表面磁场强度等。

  伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,它是仅次于宇宙大爆炸的爆发现象;两个致密天体的并合除了会产生引力波也有可能产生伽马射线暴,因此观测伽马射线暴是探测和研究引力波暴的电磁对应体的重要方式。

  我们的HXMT卫星总重量2500kg,运行在550km、倾角43度的近地圆轨道上,设计寿命为4年,主要包括有大天区扫描、定点、小天区扫描和新增的伽马射线暴监测的工作模式。

  其上搭载了四种有效载荷:高能X射线望远镜(HE)、中能X射线望远镜(ME)、低能X射线望远镜(LE)和空间环境监测器(SEM)。可观测天体1~250 keV能量范围的X射线/硬X射线,并监测200 keV-3 MeV的硬X射线/软伽马射线爆发现象,是我国空间科学研究领域新的里程碑。

  空间X射线和伽马天文是国际竞争激烈的前沿领域。目前,美、欧、日、印度等国家和地区的近10台先进的X射线和伽马射线空间观测设备正在运行,不断取得重大天文发现。

  和发达国家相比,我国的空间科学仍然处于起步阶段。与国际上的这些望远镜相比,HXMT卫星特色鲜明,具有独特之处:具有大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天能力;大面积、宽波段、高时间分辨率的定点观测能力;是国际上最大面积的硬X射线/软伽马射线能段国际上最大面积的探测器。

  对HXMT卫星的期许是?

  从HXMT卫星提出到立项花了将近20年的时间,这一任务来之不易,实现了老、中、青科学家建造属于我国自己空间天文卫星的理想,HXMT卫星研制团队对于这颗卫星的感情犹如对自己的子女一般,很难用言语表达。

  她的发射如美丽的小仙女飞天一般,巡视银河、捕捉黑洞的X射线信号、对发出脉冲的中子星进行号脉、监测来自宇宙深处的伽马射线暴,没错,我们给她起了个昵称“小仙女”,以表达HXMT研制团队对她的喜爱和美好祝愿。

  HXMT卫星在轨运行成功后预期能取得重要原创性的科学成果,如发现新的黑洞和中子星;可以对于黑洞、中子星的性质如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解它们为什么有各种各样的活动性;以及预期每年能看到上百个伽马射线暴,等等。

  HXMT的成功仅仅是一个开始

  高能所在2007年的时候就提出了X射线时变与偏振探测卫星(XTP),作为HXMT的后续任务。目前XTP项目已经吸引到了来自欧、美、日的将近20个发达国家的参与和支持,有望成为有史以来中国发起并领导的由最多发达国家实质性贡献的大型国际合作科学项目。

eXTP卫星运行示意图eXTP卫星运行示意图

  eXTP作为X射线波段国际领先的大型空间天文台,它的科学目标是“一奇(黑洞)、二星(中子星、夸克星)、三极端(极端引力、极端密度、极端磁场)”,也就是在极端引力、极端密度、极端磁场下,检验和发展黑洞和中子星的基本物理规律,它能够对一批黑洞和中子星的参数做出精确测量,将在解决一系列极端引力、极端磁场和极端能量(密度)等基础物理问题方面做出突破性贡献,使我国在空间X射线天文学和相关基础物理的研究进入国际领先行列。

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