“慧眼”望遠(yuǎn)鏡

天文觀測技術(shù)與接收信號的波長密切相關(guān)。在可見光波段，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已做出一系列重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但在更短波長的×射線高能領(lǐng)域，尚有若干重大科學(xué)問題有待突破。這為中國空間天文探測沖擊世界領(lǐng)先水平提供了難得機(jī)遇。

高能天體物理之所以引起人們的極大興趣，是因?yàn)樗难芯繉ο笫悄切O端物理環(huán)境中的神秘天體，包括超新星爆發(fā)之后的致密殘骸——中子星或黑洞。它們與星系的產(chǎn)生和演化，以及時空和物質(zhì)的基本物理特性都有著密切的聯(lián)系，為人類架設(shè)起一座氣體動力學(xué)、粒子加速和輻射過程的天然實(shí)驗(yàn)室。這些高能天體在可見光波段通常都很暗弱，有些還被厚厚的塵埃遮擋；但如果有一雙觀察×射線的眼睛，我們就會看到遍布宇宙的超新星、中子星、伽馬射線暴、黑洞吸積盤都在像燈塔一樣源源不斷地輻射能量，讓整個天空都變成高能天體的世界。

還有一個科學(xué)概念需要說明，那就是×射線的“軟硬”之分?！辽渚€和可見光一樣，本質(zhì)上都是電磁波，都具有波粒二象性，只是波長與能量不同，所以在傳播過程中顯現(xiàn)出來的性質(zhì)也有所不同?！辽渚€因?yàn)椴ㄩL極短，能量又很高，在傳播的時候更接近粒子。按照科學(xué)家的傳統(tǒng)劃分，能量在20千電子伏（keV）以上的×射線，被稱為硬×射線；能量在10 keV以下的，就被稱為軟×射線。高能天體發(fā)出的硬×射線，更容易穿透宇宙塵埃和氣體云團(tuán)，不受它們的遮擋。

然而，要想獲得硬×射線的天空圖像，是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工程。最大的困難在于X射線穿透力太強(qiáng)，當(dāng)我們把一臺普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)×射線天體的時候，×射線不會像可見光那樣在鏡面上發(fā)生反射或折射，而是直線穿過鏡面，另有一部分被吸收。因此，使用普通的光學(xué)成像系統(tǒng)，無法匯聚零散的×射線光子來形成較為明亮且可被識別的天文圖像。所以早期的×射線觀測都是簡單地探測來自天體源的光子數(shù)目，沒有空間分辨能力。

要給×射線成像，一般要用到“掠入射”這一物理現(xiàn)象，也就是讓望遠(yuǎn)鏡的鏡片盡可能光滑，并讓×射線從側(cè)面入射。這時反射率就會大大提高——這與“打水漂”的原理比較相似。整個接收器被設(shè)計(jì)成光滑的漏斗形狀，并具有多層嵌套結(jié)構(gòu)，×射線在其中不斷反射前進(jìn)，就會在漏斗尾部匯聚起來。

1999年，歐洲空間局發(fā)射的XMM牛頓空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了能量在10keV以下的軟X射線聚焦成像；美國航空航天局的錢德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡標(biāo)志著×射線天文學(xué)從測光時代進(jìn)入了光譜時代?！板X德拉”的鏡面有多平滑呢？如果把這個鏡面放大到地球一樣大小，按照鏡面的粗糙程度計(jì)算，這個“地球”上最高的山峰只有不到2米高。

然而，對硬×射線來說，即使這么平滑的鏡面反射概率仍然太低。直到2012年，美國發(fā)射的核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列（Nuclea r SpectroscopicTelescope Array）才以世所罕見的制造工藝實(shí)現(xiàn)了硬×射線聚焦成像，將能夠成像的能量范圍提高到了79 keV。核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列的鏡面由高密度材料和低密度材料反復(fù)重疊200層左右鍍成，每層的厚度和表面精度都達(dá)到了原子量級。由于這項(xiàng)技術(shù)加工難度巨大，裝配周期長，并沒有得到更廣泛的應(yīng)用。

另外一種技術(shù)是20世紀(jì)70年代開發(fā)出的編碼孔徑成像技術(shù)。編碼成像技術(shù)并不追求直接匯聚×射線，而是在探測器陣列前面加上一塊具有編碼孔的遮擋板。不同方向入射的光子流穿過編碼板，在探測器上會形成不同形態(tài)的投影疊加，就像太陽通過樹葉的縫隙在地面形成光斑一樣。不同方向入射的X射線經(jīng)過編碼板后會形成不同的投影，利用數(shù)學(xué)模型，從投影可以反推得到入射×射線的方向，從而實(shí)現(xiàn)成像。但是編碼成像技術(shù)也有缺點(diǎn)，它需要編碼板和探測器定位極為精準(zhǔn)，而且由于編碼板的遮擋，入射的×射線受到過濾，探測效率較低。

如果能有效解決硬×射線空間分辨的技術(shù)難題，就可以實(shí)現(xiàn)許多新的科學(xué)目標(biāo)，包括對高能天體做定點(diǎn)觀測、獲得巡天觀測圖像、追蹤短時爆發(fā)現(xiàn)象等。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)會將高能天文學(xué)的研究推進(jìn)到一個新的水平。瞄準(zhǔn)這一歷史契機(jī)，中國科學(xué)家開始著手建造新的觀測設(shè)備，也就是2018年年初剛剛投入科學(xué)觀測運(yùn)行的“慧眼”硬×射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray ModulationTelescope，簡稱HXMT）。

“慧眼”是如何突破上面這些技術(shù)瓶頸的呢？“慧眼”團(tuán)隊(duì)的老一輩核心成員——中科院高能物理研究所李惕碚院士和吳枚研究員，從20世紀(jì)90年代起就在孜孜不倦地思索著如何改進(jìn)×射線成像的問題。經(jīng)過艱苦努力，他們探索出“直接解調(diào)”的方法，即通過準(zhǔn)直器來限制入射的×射線，只允許與準(zhǔn)直器成一定夾角的X射線穿過，實(shí)現(xiàn)對入射X射線的調(diào)制。在數(shù)據(jù)處理中，他們使用非線性數(shù)學(xué)手段，直接解原始的測量方程，實(shí)現(xiàn)反演成像。由于更充分地利用了測量對象和測量儀器的信息，同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過直接解調(diào)可以得到比用傳統(tǒng)方法更好的成像效果。與復(fù)雜昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比，用簡單的準(zhǔn)直探測器掃描數(shù)據(jù)直接解調(diào)成像分辨率高，同時噪音干擾被有效抑制，背景異常干凈，從而用簡單成熟的硬件技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的硬×射線巡天。

經(jīng)過長期不懈的試驗(yàn)改進(jìn)，直接解調(diào)接收系統(tǒng)的研發(fā)順利完成。衛(wèi)星在運(yùn)行中，通過調(diào)整姿態(tài)使準(zhǔn)直器掃過天空的不同地區(qū)，就可測量得到天空×射線強(qiáng)度的分布，實(shí)現(xiàn)硬×射線成像。而且，由于“慧眼”采用了非成像探測器，探測器的數(shù)目由新一代伽馬射線望遠(yuǎn)鏡的10000個降到了只有18個，極大地降低了電子學(xué)數(shù)據(jù)讀出的流量需求，同時降低了功耗。相較于其他×射線空間望遠(yuǎn)鏡，“慧眼”具有更大的面積，因而在觀測短時間瞬變和爆發(fā)源時，就可以一次性探測到更多的光子數(shù)，大大增加了數(shù)據(jù)的可信度。