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载人航天、探月工程和太空行走已经陆续成功,中国已经成为了空间技术的大国。但是在空间望远镜方面,似乎还是一个空白。其实,中国科学家们已经为空间望远镜持续努力了十多年,正争取让它在几年之内升上太空。
在北京高能所粒子天体物理中心,记者见到了中国首台空间望远镜的样机。这台一人多高的白色圆柱形仪器,安放在一个篮球场大小的房间里。仪器上面镶嵌着18 个圆孔,看起来有点像巨型的蜂窝煤。它被媒体称作“中国的哈勃”,正式名称是“硬X 射线调制望远镜”(HXMT),可能在两三年内发射进入太空。HXMT 和位于河北兴隆的世界最大施密特望远镜LAMOST、贵州平塘的世界最大口径射电望远镜FAST,并称为中国三大望远镜工程。HXMT 总耗资约10 亿人民币,超过另外两个望远镜之和。国际天文学界对它抱着热烈的期待,但是HXMT 在国内却一直保持低调,甚至看不到一篇详细的报道。这个神秘的空间望远镜会向人类揭示哪些宇宙的奥秘?它的进展如何了?
用X 射线的眼睛看黑洞
HXMT 看起来似乎不像我们所熟悉的哈勃空间望远镜,因为看不到洁净的反射镜面。“这18 个圆孔探测器就是HXMT 的‘镜头’,它们观测的是硬X 射线,也就是能量较高的X 射线。”高能所粒子天体物理中心研究员卢方军指着“蜂窝煤”上的小孔说,“硬X 射线是研究黑洞周围时间、空间和物质的关键。”
黑洞是HXMT 的主要探测目标。黑洞并不发光,但是被黑洞吸进去的物质就像掉到地球上的流星一样会发光。流星物质由于摩擦发热燃烧,温度会高达几千摄氏度,而黑洞强大引力所吸积的物质,落到黑洞附近时温度高达数千万摄氏度,发射的光线能量极高,是人眼看不见的高能X 射线。和机场安检的仪器一样,硬X 射线有较强的穿透力。很多黑洞被吸积的尘埃包围,普通的X 射线都无法穿透,只有高能量的硬X 射线才能被我们接收到。
“但是困难在于,X 射线是无法贯穿大气的。所以HXMT 必须发射到太空中。”卢方军说。也正是这个原因,X 射线天文学的先驱们的路异常艰难。即使在美国,要发射卫星也必须得说服政府官员,而不是几个大学教授就能决定的。最初的探测工作只有用高空气球和探空火箭,通过实验知道了太空中有比太阳亮上亿倍的X 射线源,但是不能确定它的准确方位。直到1970 年发射了自由号(Uhuru)卫星,第一台真正意义上的X 射线空间望远镜,才发现了第一颗“疑似”黑洞的天体。著名的天鹅座X - 1,它被认为是由一颗20~40 倍太阳质量的巨星,和一颗8.7 倍太阳质量的致密星组成,后者被认为是一颗黑洞,正在从巨星上吸收质量而发射出X 射线。
在此之前,黑洞不过被看作广义相对论里的数学游戏而已,X 射线天文学让人们“看见”了黑洞。此后又有十多颗更强大的X 射线空间望远镜上天,如美国1978年的爱因斯坦卫星、1999 年的钱德拉X 射线空间天文台,以及欧空局同年发射的XMM- 牛顿卫星等等,它们除了发现上千个疑似黑洞天体,还发现一些剧烈活动的星系核中,很可能隐藏着质量巨大的黑洞,从一些黑洞中有接近光速喷出的喷流。2005 年钱德拉X射线天文台发现一个黑洞正在爆发,它吞噬的质量相当于3 亿个太阳。这些X 射线空间望远镜观测的主要是软X 射线,而HXMT 主要工作于20keV 以上的硬X 射线能区,和以往的同类X 射线空间望远镜相比,它具有显著的优越性。
物美价廉的HXMT
“HXMT 既能对全天区进行扫描成像,又可以对特定宇宙天体进行细致的定向观测,所以有美国的天体物理学家认为,HXMT 会是2010 年前后这段时期中独一无二的硬X 射线望远镜。”最早提出HXMT 项目的李惕碚院士向记者介绍。由于资金问题,中国在实测天文学方面一直落后,但是HXMT使用中国自己的直接解调成像方法,实现了技术成熟而便宜的探测装置。X 射线穿透力很强,难以聚焦成像,人们想出了编码孔径成像的办法,但是其装置非常昂贵,成像的分辨率也不高。1992 年,李惕碚和吴枚提出了硬X 射线直接解调成像方法,通过直接解观测方程,充分利用观测获得的信息,实现高分辨成像。
在高空气球实验中,直接解调方法获得了成功。1993 年9 月25 日,高能所粒子天体物理中心用高空气球搭载HXMT 的球载试验样机“HAPI-4 望远镜”升至36~38 千米高空,进行约1 小时扫描观测。巧合的是,就在5 天前,美国加州理工也用昂贵的编码孔径成像方法做了同样的试验,探测时间也约1小时。结果两个望远镜都实现了对天鹅座X - 1 的高分辨成像,而HAPI-4 的成像质量优于大型编码孔径成像望远镜。可惜的是,直接解调成像方法价廉物美得让人难以相信。“主要问题是作为核心的方法有待确认。” 这是1994 年,HXMT 申请“九五计划”立项未通过时评审组下的结论。
为了消除对新方法的怀疑,李惕碚院士的团组用了多年时间。除了论证直接解调的数学基础,还用它重新分析了许多国外高能天文卫星的数据,取得了不少新成果。卢方军就曾用直接解调方法处理德国伦琴卫星(ROSAT)的数据,发现了超新星遗迹G54.1+0.3 存在X 射线喷流,随后申请到美国钱德拉X 射线天文台的观测时间,发现了“牛眼脉冲星”,被国际媒体广泛报道。2000 年,HXMT 预研终于列入国家重点基础研究发展规划(973)项目,获得第一笔经费,这就是我们面前的HXMT 地面样机的来历。
中国空间天文何时上路
按照预期,HXMT 将在2010 或2011 年发射,是否一切准备就绪了呢?“HXMT 很可能无法按时发射。”卢方军遗憾地说。“HXMT 上天之前还有很多试验要做。至少需要做4 台样机,其中三台是用来做电性能、结构热控和空间环境适应能力试验,最后一台才是正式上天的。”
有了973 项目的经费, 在2005 年建成了HXMT 第一台样机,测试结果也不错。但是后续的资金没有到位,无法继续做下一台样机,研究人员们还在做HXMT 的各种试验,以进一步提高HXMT 的性能和工程可靠性。“不过这也正常,美国也经常推迟发射,因为不可预料的事情太多了。”卢方军仍然很乐观。
中国虽然在航天领域多数项目上领先亚洲,但是仍然没有发射过空间望远镜。从上世纪至今,国际上已发射的天文卫星有100 多颗,覆盖的能量范围从微波直到高能γ 射线,取得了大量的观测研究成果,中国的空间天文却仍然是空白。所以有一种说法:发展中国家重视空间技术,发达国家重视空间科学。令人宽慰的是,2007 年10 月,经国务院批准发布的《航天发展“十一五”规划》已经明确了要“优先支持面向重大科学问题的自主创新项目,研制硬X 射线望远镜”。
在HXMT 缓慢行进的同时,NASA 已经开始实施雄心勃勃的“超越爱因斯坦计划”,为了探索大爆炸、黑洞和暗能量,寻求物理科学的新突破,计划发射一系列天文卫星,其中包括新一代的“星座”X 射线望远镜(HTXS),以及“黑洞发现者”X 射线探测器(BHFP),它们的功能将空前强大,但是发射日期还定在2016 年之后。HXMT 如果能够赶在它们之前发射,中国仍然有很好的机会取得领先的重大科学成果。“但是如果得不到财政支持继续拖延下去,就会在激烈的国际竞争中丧失时机,而成为一个罕见的反面事例:一个国家在长达15~20 年的时间里都抓不住自主创新所提供的科学机遇。当然,提供反面的教训也是贡献吧!”李惕碚院士有些无奈地苦笑着说。
● X 射线望远镜的成像方法
掠射成像:与金属表面几乎平行的X 射线会被反射,就像打水漂时石块会在水面反弹一样,可以用一系列小角度反射镜让掠射X 射线聚焦成像。但是对高能量的硬X 射线实现掠射成像非常困难。
编码孔径成像技术:在一个刻有小孔花纹的编码版上,根据不同方向硬X 射线源的“影子”推导出射线源方位,就像根据多个路灯下影子的形状来推断路灯的位置。
直接解调成像:它只需要一个准直器来限制探测器的视场,通过扫描获取数据,然后直接解观测方程来还原X 射线强度的空间分布,可以尽可能少的丢失信息。
在北京高能所粒子天体物理中心,记者见到了中国首台空间望远镜的样机。这台一人多高的白色圆柱形仪器,安放在一个篮球场大小的房间里。仪器上面镶嵌着18 个圆孔,看起来有点像巨型的蜂窝煤。它被媒体称作“中国的哈勃”,正式名称是“硬X 射线调制望远镜”(HXMT),可能在两三年内发射进入太空。HXMT 和位于河北兴隆的世界最大施密特望远镜LAMOST、贵州平塘的世界最大口径射电望远镜FAST,并称为中国三大望远镜工程。HXMT 总耗资约10 亿人民币,超过另外两个望远镜之和。国际天文学界对它抱着热烈的期待,但是HXMT 在国内却一直保持低调,甚至看不到一篇详细的报道。这个神秘的空间望远镜会向人类揭示哪些宇宙的奥秘?它的进展如何了?
用X 射线的眼睛看黑洞
HXMT 看起来似乎不像我们所熟悉的哈勃空间望远镜,因为看不到洁净的反射镜面。“这18 个圆孔探测器就是HXMT 的‘镜头’,它们观测的是硬X 射线,也就是能量较高的X 射线。”高能所粒子天体物理中心研究员卢方军指着“蜂窝煤”上的小孔说,“硬X 射线是研究黑洞周围时间、空间和物质的关键。”
黑洞是HXMT 的主要探测目标。黑洞并不发光,但是被黑洞吸进去的物质就像掉到地球上的流星一样会发光。流星物质由于摩擦发热燃烧,温度会高达几千摄氏度,而黑洞强大引力所吸积的物质,落到黑洞附近时温度高达数千万摄氏度,发射的光线能量极高,是人眼看不见的高能X 射线。和机场安检的仪器一样,硬X 射线有较强的穿透力。很多黑洞被吸积的尘埃包围,普通的X 射线都无法穿透,只有高能量的硬X 射线才能被我们接收到。
“但是困难在于,X 射线是无法贯穿大气的。所以HXMT 必须发射到太空中。”卢方军说。也正是这个原因,X 射线天文学的先驱们的路异常艰难。即使在美国,要发射卫星也必须得说服政府官员,而不是几个大学教授就能决定的。最初的探测工作只有用高空气球和探空火箭,通过实验知道了太空中有比太阳亮上亿倍的X 射线源,但是不能确定它的准确方位。直到1970 年发射了自由号(Uhuru)卫星,第一台真正意义上的X 射线空间望远镜,才发现了第一颗“疑似”黑洞的天体。著名的天鹅座X - 1,它被认为是由一颗20~40 倍太阳质量的巨星,和一颗8.7 倍太阳质量的致密星组成,后者被认为是一颗黑洞,正在从巨星上吸收质量而发射出X 射线。
在此之前,黑洞不过被看作广义相对论里的数学游戏而已,X 射线天文学让人们“看见”了黑洞。此后又有十多颗更强大的X 射线空间望远镜上天,如美国1978年的爱因斯坦卫星、1999 年的钱德拉X 射线空间天文台,以及欧空局同年发射的XMM- 牛顿卫星等等,它们除了发现上千个疑似黑洞天体,还发现一些剧烈活动的星系核中,很可能隐藏着质量巨大的黑洞,从一些黑洞中有接近光速喷出的喷流。2005 年钱德拉X射线天文台发现一个黑洞正在爆发,它吞噬的质量相当于3 亿个太阳。这些X 射线空间望远镜观测的主要是软X 射线,而HXMT 主要工作于20keV 以上的硬X 射线能区,和以往的同类X 射线空间望远镜相比,它具有显著的优越性。
物美价廉的HXMT
“HXMT 既能对全天区进行扫描成像,又可以对特定宇宙天体进行细致的定向观测,所以有美国的天体物理学家认为,HXMT 会是2010 年前后这段时期中独一无二的硬X 射线望远镜。”最早提出HXMT 项目的李惕碚院士向记者介绍。由于资金问题,中国在实测天文学方面一直落后,但是HXMT使用中国自己的直接解调成像方法,实现了技术成熟而便宜的探测装置。X 射线穿透力很强,难以聚焦成像,人们想出了编码孔径成像的办法,但是其装置非常昂贵,成像的分辨率也不高。1992 年,李惕碚和吴枚提出了硬X 射线直接解调成像方法,通过直接解观测方程,充分利用观测获得的信息,实现高分辨成像。
在高空气球实验中,直接解调方法获得了成功。1993 年9 月25 日,高能所粒子天体物理中心用高空气球搭载HXMT 的球载试验样机“HAPI-4 望远镜”升至36~38 千米高空,进行约1 小时扫描观测。巧合的是,就在5 天前,美国加州理工也用昂贵的编码孔径成像方法做了同样的试验,探测时间也约1小时。结果两个望远镜都实现了对天鹅座X - 1 的高分辨成像,而HAPI-4 的成像质量优于大型编码孔径成像望远镜。可惜的是,直接解调成像方法价廉物美得让人难以相信。“主要问题是作为核心的方法有待确认。” 这是1994 年,HXMT 申请“九五计划”立项未通过时评审组下的结论。
为了消除对新方法的怀疑,李惕碚院士的团组用了多年时间。除了论证直接解调的数学基础,还用它重新分析了许多国外高能天文卫星的数据,取得了不少新成果。卢方军就曾用直接解调方法处理德国伦琴卫星(ROSAT)的数据,发现了超新星遗迹G54.1+0.3 存在X 射线喷流,随后申请到美国钱德拉X 射线天文台的观测时间,发现了“牛眼脉冲星”,被国际媒体广泛报道。2000 年,HXMT 预研终于列入国家重点基础研究发展规划(973)项目,获得第一笔经费,这就是我们面前的HXMT 地面样机的来历。
中国空间天文何时上路
按照预期,HXMT 将在2010 或2011 年发射,是否一切准备就绪了呢?“HXMT 很可能无法按时发射。”卢方军遗憾地说。“HXMT 上天之前还有很多试验要做。至少需要做4 台样机,其中三台是用来做电性能、结构热控和空间环境适应能力试验,最后一台才是正式上天的。”
有了973 项目的经费, 在2005 年建成了HXMT 第一台样机,测试结果也不错。但是后续的资金没有到位,无法继续做下一台样机,研究人员们还在做HXMT 的各种试验,以进一步提高HXMT 的性能和工程可靠性。“不过这也正常,美国也经常推迟发射,因为不可预料的事情太多了。”卢方军仍然很乐观。
中国虽然在航天领域多数项目上领先亚洲,但是仍然没有发射过空间望远镜。从上世纪至今,国际上已发射的天文卫星有100 多颗,覆盖的能量范围从微波直到高能γ 射线,取得了大量的观测研究成果,中国的空间天文却仍然是空白。所以有一种说法:发展中国家重视空间技术,发达国家重视空间科学。令人宽慰的是,2007 年10 月,经国务院批准发布的《航天发展“十一五”规划》已经明确了要“优先支持面向重大科学问题的自主创新项目,研制硬X 射线望远镜”。
在HXMT 缓慢行进的同时,NASA 已经开始实施雄心勃勃的“超越爱因斯坦计划”,为了探索大爆炸、黑洞和暗能量,寻求物理科学的新突破,计划发射一系列天文卫星,其中包括新一代的“星座”X 射线望远镜(HTXS),以及“黑洞发现者”X 射线探测器(BHFP),它们的功能将空前强大,但是发射日期还定在2016 年之后。HXMT 如果能够赶在它们之前发射,中国仍然有很好的机会取得领先的重大科学成果。“但是如果得不到财政支持继续拖延下去,就会在激烈的国际竞争中丧失时机,而成为一个罕见的反面事例:一个国家在长达15~20 年的时间里都抓不住自主创新所提供的科学机遇。当然,提供反面的教训也是贡献吧!”李惕碚院士有些无奈地苦笑着说。
● X 射线望远镜的成像方法
掠射成像:与金属表面几乎平行的X 射线会被反射,就像打水漂时石块会在水面反弹一样,可以用一系列小角度反射镜让掠射X 射线聚焦成像。但是对高能量的硬X 射线实现掠射成像非常困难。
编码孔径成像技术:在一个刻有小孔花纹的编码版上,根据不同方向硬X 射线源的“影子”推导出射线源方位,就像根据多个路灯下影子的形状来推断路灯的位置。
直接解调成像:它只需要一个准直器来限制探测器的视场,通过扫描获取数据,然后直接解观测方程来还原X 射线强度的空间分布,可以尽可能少的丢失信息。