望向黑洞的慧眼

蔣健

為了研究黑洞、中子星等高能致密天體的基本物理性質(zhì)以及它們對周圍時空的影響，中國科學(xué)院高能物理研究所和航天科技集團(tuán)五院等單位研制了我國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星——HXMT衛(wèi)星。

HXMT衛(wèi)星的科學(xué)目的是接收來自天體的X射線，當(dāng)然這種天體可以是中子星，也可以是黑洞?？茖W(xué)家主要是希望尋找一些以前人們不知道的黑洞和中子星，同時，對已經(jīng)知道的黑洞和中子星也進(jìn)行觀測和研究，目的是用來拓展人們對它們的認(rèn)識。

在宇宙中，當(dāng)物質(zhì)被致密天體的引力俘獲后，會以螺旋運動掉向中心天體，速度越來越快，溫度越來越高，最后會發(fā)出強烈的、比一般X射線能量高的硬X射線。雖然X射線穿透能力比較強，但也不能穿透地球大氣，所以人們必須要到地球大氣層以外才有可能探測到來自天體的X射線。

自主研發(fā)

早在20世紀(jì)70年代，中國就已經(jīng)開始了X射線天文觀測。中科院高能所利用高空氣球搭載X射線望遠(yuǎn)鏡，在40公里高空對X射線脈沖星、黑洞等類型的天體進(jìn)行了觀測研究，HXMT衛(wèi)星正是在氣球?qū)嶒灥幕A(chǔ)上提出和研制的。

為了完成這樣的一個科學(xué)裝置，科學(xué)家們前前后后共努力了差不多20年的時間，克服了各方面出現(xiàn)的困難，最終才走到了今天。

第一，項目經(jīng)驗不足。在HXMT衛(wèi)星之前，我們國家沒有真正做過天文望遠(yuǎn)鏡，尤其是空間天文望遠(yuǎn)鏡，對如何推動項目發(fā)展，科學(xué)家們經(jīng)驗不足。

第二，經(jīng)費不足。以前我們的科研投入量比較小，但近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)費逐漸能滿足需求，可以支持HXMT衛(wèi)星的研制建造。

第三，人才不足。在人才隊伍方面，雖然我們國家有航天隊伍，但研究空間、天文儀器的隊伍非常少，不適應(yīng)這么大型的X射線衛(wèi)星的研制。

第四，技術(shù)要求高。因為這個望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計思路非常創(chuàng)新，用了很多新的空間儀器的技術(shù)，我們需要自己研發(fā)，之后按照航天要求把它研制出來，這個過程非常復(fù)雜。

既然這么困難，為什么我們一定要建造它呢？

空間天文望遠(yuǎn)鏡實際上開創(chuàng)了人類探索宇宙的一個窗口。人類在開創(chuàng)這個領(lǐng)域之后，就發(fā)射了各種各樣的天文衛(wèi)星，也包括我們很熟悉的哈勃天文衛(wèi)星。所以人類對宇宙的探索是不會停止的，研究會一直進(jìn)行下去。

中國是一個航天大國，世界上其他航天大國在利用航天來做科學(xué)研究方面都做了非常多的事情，而我們國家在這方面做的比較少，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡是比較自然地進(jìn)入空間開展基礎(chǔ)研究的一個領(lǐng)域，所以我們就選擇了這個領(lǐng)域作為突破口。

望遠(yuǎn)鏡的視場是比較寬的，它適合做一些天體物理的研究。比如，科學(xué)家們將會對中子星和黑洞進(jìn)行非常高統(tǒng)計量、高波段的研究，這是以前的天文望遠(yuǎn)鏡或者X射線望遠(yuǎn)鏡比較難做到的。由于視場相對比較寬，面積又比較大，這樣它們對于銀河系內(nèi)的一些比較弱的源變化就會比較敏感，所以科學(xué)家們會對銀河系進(jìn)行巡天的工作，來搜尋銀河系內(nèi)有多少像這樣的比較暗弱、隨時間變化的天體，這對他們理解銀河系內(nèi)的中子星和黑洞都是非常重要的。

巡天觀測模式

HXMT衛(wèi)星的觀測主要有三種模式，簡單地說就是掃描巡天模式、定點觀測模式和伽馬射線暴監(jiān)測模式。

掃描巡天模式?？茖W(xué)家預(yù)測銀河系里有很多中子星和黑洞，但是它們在哪里，都是什么樣子的，很多都還沒有發(fā)現(xiàn)，所以這個衛(wèi)星會對銀河系進(jìn)行掃描和巡天的工作。

定向觀測模式。科學(xué)家已經(jīng)知道了一些天體源，或是通過巡天發(fā)現(xiàn)的天體源，他們會用望遠(yuǎn)鏡指向它，這就叫作定向觀測。

伽馬射線暴監(jiān)測模式。這相當(dāng)于“守株待兔”的模式，如果有一些非常強烈的伽馬射線暴被發(fā)現(xiàn)，儀器就會監(jiān)測到這個高流量的信號到達(dá)，科學(xué)家會來提供一個警報以進(jìn)行后續(xù)的觀測等等。

展望未來

HXMT衛(wèi)星主要在四個方面有可能取得比較大的進(jìn)展。

第一，預(yù)計會發(fā)現(xiàn)一批新的天體源，主要是以中子星和黑洞為主的新的高能天體。

第二，對一批比較亮的中子星和黑洞進(jìn)行定點觀測。

第三，科學(xué)家有可能對中子星和黑洞的基本性質(zhì)，比如中子星的磁場和中子星的質(zhì)量、黑洞的質(zhì)量和黑洞的自轉(zhuǎn)等做出新的測量，也可以了解它們?yōu)槭裁磿懈鞣N各樣的活動性。

第四，對宇宙進(jìn)行“監(jiān)視”，科學(xué)家預(yù)期每年能發(fā)現(xiàn)幾十個到幾百個伽馬射線暴，當(dāng)然如果有些伽馬射線暴將來能和引力波事件建立關(guān)系，將會成為比較重要的進(jìn)展。

同時，必須指出，科學(xué)研究中不乏意外的收獲，科學(xué)家們也十分期待HXMT衛(wèi)星能帶給人們意外的驚喜。endprint