“慧眼”是如何“活捉”黑洞、“生擒”中子星的

編者按：在中華民族偉大復(fù)興的征程中，各行各業(yè)涌現(xiàn)出了許多矢志報國、實干創(chuàng)業(yè)的大師級榜樣人物，他們是超級總師、兩院院士、大國工匠、文化名家，是全國各領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物和行業(yè)翹楚。為激勵廣大青少年立下“強國一代中國夢”的鴻鵠志向，提升素養(yǎng)、開闊視野、勇?lián)鷼v史重任，他們化身“強國講師”，向青少年講述自己的成長經(jīng)歷和奮斗歷程，分享自己的科學(xué)研究、經(jīng)驗及感悟，培養(yǎng)青少年的人文素養(yǎng)和科技思維。從本期開始，本刊隆重推出《大師講堂》欄目。每期由一位奮斗在科技創(chuàng)新第一線的大師級專家，向青少年講述“精彩一課”，幫助同學(xué)們積蓄精神力量，樹立人生理想，堅守使命擔當，把小我融入大我，一往無前地走向未來！

作者簡介：屈進祿，“慧眼”衛(wèi)星地面科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)副總師、中國科學(xué)院高能物理研究所研究生導(dǎo)師，主要從事X射線雙星的觀測研究。在黑洞、中子星系統(tǒng)中的低頻準周期震蕩現(xiàn)象和吸積盤輻射機制等方面開展了多年的研究，主持、參加多項國家重點項目、面上項目和創(chuàng)新項目。

“慧眼”究竟是什么樣的望遠鏡

從地球誕生的那一刻起，宇宙就以星空的姿態(tài)投映在了夜幕上，人們通過觀測星空來認知宇宙，從最初的裸眼觀星，到使用折射望遠鏡和反射望遠鏡，再到運用射電望遠鏡和太空望遠鏡觀星。在我國就有一部叫作“慧眼”的望遠鏡，它不在地面，而是遨游于太空之中，它慧眼如炬，談笑間“活捉”黑洞、“生擒”中子星?！盎垩邸本烤故鞘裁礃拥耐h鏡，它可以看到哪些奇幻景象呢？讓我們一起來了解神奇的“慧眼”吧！

“慧眼”是我國第一顆X射線天文望遠鏡衛(wèi)星，它裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器四個探測有效載荷，總質(zhì)量約為2500千克，處在550千米高的近地圓軌道上，像是架在天上的望遠鏡。

"慧眼"和其他天文望遠鏡有什么區(qū)別

“慧眼”和我們地面上的天文望遠鏡所要完成的科學(xué)目標是一樣的：收集天體所發(fā)出的光，也就是電磁輻射。通過電磁輻射可以了解一個天體的構(gòu)成、運動規(guī)律等信息。但是，其中X光不能穿過地球大氣層，因此我們不得不把探測X光的望遠鏡放到大氣層外，也就是說把它架在太空。這就是“慧眼”與地面天文望遠鏡的一個區(qū)別。

說到X光，大家一定不陌生，比如醫(yī)院的X光片，火車站及地鐵站的安檢設(shè)施，都運用了X光。X光具有很高的穿透本領(lǐng)，能幫助我們看清物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，“慧眼”就是通過探測X射線來研究黑洞、中子星、脈沖星等高能天體的物質(zhì)構(gòu)成及運動規(guī)律的。

在太空中除“慧眼”之外，還有很多顆天文望遠鏡衛(wèi)星，比較著名的有美國哈勃空間望遠鏡、錢德拉X射線太空望遠鏡以及歐洲的牛頓X射線望遠鏡等。與它們相比，我們的“慧眼”有哪些不同呢？

哈勃空間望遠鏡是一個光學(xué)望遠鏡，能夠看到天體外部輻射的結(jié)構(gòu)，而X射線望遠鏡可以更加細致、更加全面地了解天體臨近或者內(nèi)部的情況。通過X射線望遠鏡，我們能夠看到蟹狀星云內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，比如說中心天體及它周圍的一些吸積盤、噴流等，并形成圖像?，F(xiàn)在天空中運行著很多X射線望遠鏡，“彗眼”望遠鏡的面積有5000平方厘米，相對于牛頓X射線望遠鏡和錢德拉X射線太空望遠鏡要大很多。因此，“彗眼”能夠收集到更多的X 射線光，意味著能夠提供更多的信息。另外一個不同在于，“彗眼”望遠鏡的建設(shè)過程中，采用了一種快電子學(xué)的手段。因此，我們可以研究X射線光與X射線源，即天體輻射出的光的變化，來了解這個天體的其他變化。

"慧眼"為深空探測和星際旅行做出的貢獻

船只在海上行駛，燈塔為我們指引方向，如果我們在宇宙中迷路了，該怎么辦呢？脈沖星，有“外太空的燈塔”之稱，“慧眼”衛(wèi)星開展了 X射線脈沖星導(dǎo)航實驗，定位精度達到10千米以內(nèi)，未來我們的深空探測和星際旅行或許就不用擔心迷路了。

在引力波被發(fā)現(xiàn)后，我們對引力波源進行了觀測，最終了解到，如果它存在電磁輻射，那么它的輻射會有一個上限，也就意味著有輻射就不會超過一個值。這一個值，對于我們將來的觀測有指導(dǎo)意義。這個發(fā)現(xiàn)，就是“慧眼”對于觀測引力波的貢獻。

對于黑洞的觀測，是“慧眼”衛(wèi)星主要的科學(xué)目標。第一張黑洞照片的發(fā)布，一方面驗證了我們原先對黑洞的理解是正確的;另一方面，為我們對數(shù)據(jù)進行分析，解釋觀測現(xiàn)象，提供了一個比較直觀的圖像。這使得我們可以更好、更加深入、更加直觀地研究黑洞。

從 2017年6月15日"慧眼" 衛(wèi)星發(fā)射成功，到現(xiàn)在已經(jīng)過去4年多了。在這幾年的時間里，我們對黑洞、中子星、脈沖星進行了大量的觀測，而且發(fā)現(xiàn)了幾十個γ（伽馬）暴。通過分析這些數(shù)據(jù)，我們?nèi)〉昧撕芏嗟某晒热鐚τ诿岬难芯?。太陽的外表有一層物質(zhì)叫作日冕，實際上就是電子氣，這種物質(zhì)會輻射出X光。我們對中子星的冕進行了觀測研究，觀測中子星的冕的變化，及其附近的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)。觀測結(jié)果是第一次得到了關(guān)于中子星附近物質(zhì)運動形態(tài)的一個非常好的描述。

"慧眼"的繼位者將帶來哪些驚喜

如今，越來越多的中國天文衛(wèi)星發(fā)射升空，可以完成不同的科學(xué)目標，如“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、“墨子”號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，以及不久前發(fā)射的我國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)實驗衛(wèi)星“羲和號”，還有計劃于2022年底發(fā)射升空的“愛因斯坦”探針衛(wèi)星等?！盎垩邸钡脑O(shè)計壽命是4年，因此不久之后，“慧眼”的繼位者——增強型X射線空間天文臺也將飛入天際。它將為我們帶來哪些驚喜呢？

增強型X射線望遠鏡和“慧眼”望遠鏡相比，做了很大的改進。第一，這是個成像型望遠鏡;第二，它的面積增大了很多，達到了平方米的量級;第三，它的能量分辨率將增加很多，所謂能量分辨率，就是說可以看到更精細的光線;第四，它增加了一個功能，測量X光的另外一種特性偏振。這樣的話，我們可以收集更好的數(shù)據(jù)和更多的電磁輻射，因此我們也可以更加深入地研究黑洞、中子星，了解它們的結(jié)構(gòu)和相互作用。由于它的這些特性的增強，我們能夠看到黑洞的吞噬事件。因為它讓我們能夠看到更弱的源，這意味著我們就可以看到一個天體掉入黑洞的過程。例如，天體撕裂事件。

我們把于2018年3月由中國科學(xué)院啟動的中國新一代空間科學(xué)衛(wèi)星，叫作增強型X射線時變與偏振空間天文臺（英文簡稱“eXTP”）。eXTP項目是由中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的，主要包括意大利、德國、瑞士、西班牙、法國、丹麥、捷克、波蘭、荷蘭等20多個空間天文發(fā)達國家與地區(qū)的100多個研究院（所）共同參與，可能是有史以來中國發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)的、由最多發(fā)達國家與地區(qū)作出實質(zhì)性貢獻的大型國際合作科學(xué)研究項目，計劃于2025年左右發(fā)射升空。

人類發(fā)射的天文望遠鏡如群星璀璨，是人類安置在太空的千里眼，而所有這些千里眼探測到的科學(xué)成果，只構(gòu)成我們了解宇宙的一塊拼圖。浩瀚宇宙充滿著無窮的奧秘，等你來揭示！

（編輯文墨

實習(xí)編輯陳哲怡）