“慧眼”觀天識“英雄”

文/戴銘玨

多面手“慧眼”

2017 年6 月15 日，我國第一顆X 射線天文衛(wèi)星被發(fā)射上天，運行在550 千米的近地圓軌道上。它就是“慧眼”衛(wèi)星，全稱為“硬X 射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星”（簡稱HXMT）。從此，“慧眼”衛(wèi)星開始凝視暗黑的星空，不為眺望點點繁星，而是為了探測人類肉眼看不到的X 射線。

隨著人類探索的深入，天文學(xué)的研究早已不再局限于傳統(tǒng)的可見光波段，而進入了能夠?qū)﹄姶挪ㄈǘ芜M行觀測的全波天文學(xué)時代。電磁波的全波段不僅包括可見光、射電波、紅外線、紫外線，還有高能量的X 射線和伽馬射線等。近幾年，這些高能量的電磁波在許多激烈的天體活動中被發(fā)現(xiàn)，成為目前研究的重點?？梢哉f，高能天文學(xué)的觀測時代來臨了，“慧眼”就是這個時代中為了觀測X 射線的產(chǎn)物。

要想觀察到X 射線，首先X 射線必須聚焦成像。光遇到鏡盤會發(fā)生反射并聚焦，但是，X 射線能量極大，能夠穿透鏡盤不產(chǎn)生反射，因而無法聚焦。要想讓X射線聚焦成像，就需要以很低的角度掠射到鏡盤。就像是一個球，當從側(cè)面打到墻壁上的時候，就會彈射到墻的另一面，這也就實現(xiàn)了聚焦。所以，X 射線望遠鏡被稱為“掠射望遠鏡”。

按照這種原理設(shè)計的X 射線望遠鏡，擁有一個看似奇怪的外觀：很多根非常細的管子指向太空。當X 射線進入管子的時候，會擊打在管壁上，碰撞后再反射，最后都掠射到鏡面上，從而在鏡面上聚焦成像。

“慧眼”并不是X 射線望遠鏡，而是包括3 組X 射線望遠鏡的X 射線衛(wèi)星。這3 組X 射線望遠鏡分別接收低、中、高三種能量的不同射線。其中，高能X 射線望遠鏡負責接收20 千電子伏特以上的X 射線，低能X 射線望遠鏡負責接收能量在10 千電子伏特以下的X 射線。所以，“慧眼”同時具有3 種能力，雖然這些功能都不強大，卻是個多面手。

“慧眼”識“英雄”

宇宙中的恒星都能夠發(fā)出光和熱，是一個個巨大的核反應(yīng)堆。但是，它們會走向垂暮，走向死亡。當氫元素消耗完，整個恒星就不能繼續(xù)燃燒，于是，一場超新星爆發(fā)就會讓它改頭換面，成為白矮星、中子星或者黑洞，這些都是致密的恒星。

致密的恒星不僅密度高，而且還具有超級強悍的磁場。強悍的磁場會產(chǎn)生高能宇宙射線，這些高能宇宙射線要比光子攜帶的能量高得多。

恒星活著的時候光芒萬丈，像是個英勇的武士，消亡之后則成為不死的英雄，“慧眼”衛(wèi)星就專門研究這種“英雄”?！盎垩邸遍_啟搜尋模式，就可以尋找能發(fā)出X 射線的天區(qū)，分辨其中誰最強大。

2020 年8 月，“慧眼”衛(wèi)星把觀測目標對準了脈沖星GRO J008-57，采用直接測量的方法測得該脈沖星表面磁場強度為10 億特斯拉。這是非?？煽康臄?shù)據(jù)，也是當時人類已知的最強磁場。脈沖星就是能從兩極發(fā)射電磁波的中子星，它的磁場極強。磁場是看不到的，但它確實存在。當把一根電流強度是1 安培的導(dǎo)線放到磁場周圍的時候，磁場對它產(chǎn)生作用，如果這個作用力是1 牛頓，那么磁場的強度就被稱為“1 特斯拉”。 10 億特斯拉的磁場強度，大小已經(jīng)超出了我們的理解。如果將導(dǎo)線放在這個磁場中，那么導(dǎo)線肯定被擰成了麻花，或者不復(fù)存在。

盡管國外的X 射線觀測設(shè)備很多，來自太空射電輻射的信息也很多，但并沒有打破“慧眼”衛(wèi)星的觀測紀錄，打破紀錄的還是它自己。2022 年7 月，“慧眼”又把目標對準了Swift J0243.6+6124 中子星。這不是普通的中子星，而是雙中子星?！盎垩邸毙l(wèi)星的觀測表明，該中子星的能量非常高，高達146 千電子伏特的回旋吸收線，對應(yīng)的磁場超過16 億特斯拉，這是目前已經(jīng)知道的宇宙中最強的磁場。Swift J0243.6+6124 是雙中子星，兩顆中子星之間有著吸積盤，“慧眼”衛(wèi)星測量的可能是中子星附近吸積盤的磁場。

以前，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)過一類特殊的中子星，它們在銀河系之外，其中的X 射線具有超常亮度。雖然科學(xué)家一直懷疑那里存在超強的磁場，但并沒有直接的測量證據(jù)。這種猜測被“慧眼”衛(wèi)星證實了，找到了真正的“英雄”。

“慧眼”望八方

由于地球大氣層的干擾，X 射線不能在地面被接收，一般都要把望遠鏡送上太空，難度較高，所以，X射線望遠鏡誕生的歷史僅有幾十年。1962 年，美國發(fā)射了一枚探空火箭，它攜帶的探測器發(fā)現(xiàn)了第一個宇宙射線源：天蝎座。此后，X 射線天文學(xué)誕生了。近十幾年來，大量高能物理現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，進一步激發(fā)了人們研制X 射線望遠鏡的熱情。由于X射線具有極強的穿透性，能成像的X射線望遠鏡難以被設(shè)計制造出來。這其中最強大的是美國的錢德拉X 射線太空望遠鏡，它拍攝的天體X 射線照片幾乎可以與光學(xué)望遠鏡拍攝的照片相媲美。

我國的X 射線望遠鏡起步僅有十幾年，雖然X 射線成像拍攝照片的能力遠遠不夠，但它還是有很多自己獨到的優(yōu)勢。首先，我國的X 射線望遠鏡的能區(qū)寬，能量從高到低都可以觀測到。其次，它的觀測面寬，能夠?qū)崿F(xiàn)快速巡天?！盎垩邸毙l(wèi)星在太空中可以隨意把視線轉(zhuǎn)向任意方向，四面八方都不受阻擋，迄今已經(jīng)取得了很多成績。

2017 年8 月17 日，這 是 人 類首次發(fā)現(xiàn)引力波的時間。當時“慧眼”衛(wèi)星剛發(fā)射成功不久，還處在測試的實習(xí)期，但它幸運地監(jiān)測到了全球首個雙中子星合并撞擊的引力波事件，并且對輻射性質(zhì)作出了合理的判斷。

“慧眼”在預(yù)測的時間內(nèi)，不僅觀察到了射電暴，而且給予了準確的定位

快速射電暴是近幾年發(fā)現(xiàn)的一種奇怪現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是指天空中會突然出現(xiàn)X 射線，停留僅僅1 秒鐘，就無聲無息地消失了。無人知道它從哪里來，也沒人知道它還會不會再次出現(xiàn)。近兩年，人們發(fā)現(xiàn)有重復(fù)出現(xiàn)的射電暴，并且可以預(yù)測下一次爆發(fā)的時間。“慧眼”在預(yù)測的時間內(nèi)，不僅觀察到了射電暴，而且給予了準確的定位。這個定位讓人們知道，快速射電暴FRB 200428 來源于磁星SGR J1935+2154。快速射電暴是磁星爆發(fā)產(chǎn)生的，這一發(fā)現(xiàn)成了2020年公認的十大科學(xué)成就之一。

『慧眼』并不是X射線望遠鏡，而是包括3組X射線望遠鏡的X射線衛(wèi)星

“慧眼”衛(wèi)星還發(fā)現(xiàn)了距離黑洞最近的相對論噴流。在一對黑洞雙星中，有一些等離子正在高速逃離黑洞的引力場，這也被“慧眼”觀測到了。而且，“慧眼”還第一次在黑洞雙星中觀測到冕的演化。

除此之外，“慧眼”開展了X射線脈沖星導(dǎo)航實驗，定位精度達到10 千米之內(nèi)，為未來的星際航行提供了導(dǎo)航的基礎(chǔ)。

借助“慧眼”的一項項觀測成果，我國相關(guān)的科研人員總共發(fā)表論文120 多篇，涉及引力波、伽馬暴、快速射電暴、黑洞和中子星等多個方面，“慧眼”衛(wèi)星在高能天體物理學(xué)方面作出了重要的貢獻。

雖然“慧眼”的設(shè)計壽命只有4年，2022 年6 月15 日，它已經(jīng)度過了5 周歲的生日，但是目前它的各項性能依舊良好，科學(xué)家們希望它能晚些退役，并再立新功。