15日，我國首顆硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”在酒泉成功發(fā)射。這一衛(wèi)星的發(fā)射有什么意義？與國際上同類衛(wèi)星相比有哪些優(yōu)勢？將對我國的空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展帶來哪些進(jìn)步？
圖為硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星運(yùn)行示意圖。國防科工局供圖
接收分析X射線，勾畫天體輪廓，并窺探黑洞一角
國防科工局系統(tǒng)工程司副司長趙堅(jiān)介紹，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星是我國首顆大型天文望遠(yuǎn)鏡，能穿過星際物質(zhì)的遮擋“看”到宇宙中的X射線，相當(dāng)于我國在空間探測領(lǐng)域多了雙眼睛。同時(shí)，衛(wèi)星有效載荷由我國科研人員自主研制完成，在工程研制過程中，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)X射線探測和電子學(xué)技術(shù)的國產(chǎn)化。
為什么要觀測宇宙中的X射線？在浩瀚的宇宙中，脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等都會(huì)輻射出X射線。如果接收到射線并加以分析，就能勾畫出這些天體的輪廓。但由于X射線無法穿越地球大氣層，科學(xué)家只能在高空或者大氣層以外觀測。也就是說，X射線望遠(yuǎn)鏡能讓人們窺見黑洞的神秘一角。
此次發(fā)射的衛(wèi)星本體呈立方體構(gòu)型，設(shè)計(jì)壽命4年，裝載高能、中能、低能X射線望遠(yuǎn)鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器等4個(gè)探測有效載荷，可觀測1—250keV(千電子伏特)能量范圍的X射線，主要工作模式包括巡天觀測、定點(diǎn)觀測等模式。
趙堅(jiān)說，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星具有三大特點(diǎn)。一是基于我國學(xué)者原創(chuàng)的探測方法，采用直接解調(diào)成像方法，解決了低成本探測器高精度成像問題，實(shí)現(xiàn)寬波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線觀測。二是有效載荷種類全、規(guī)模大，探測模式多，4個(gè)有效探測載荷共計(jì)包含25個(gè)探測器單機(jī)，能段基本覆蓋整個(gè)X射線譜段，在世界現(xiàn)有X射線天文衛(wèi)星中，具有先進(jìn)的暗弱變巡天能力、獨(dú)特的多波段快速光變觀測能力。衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)對伽馬射線暴的全天監(jiān)測，將成為國際上在300keV—3MeV(兆電子伏特)能區(qū)面積最大的伽馬射線暴探測器。三是衛(wèi)星平臺(tái)服務(wù)保障能力要求高，為實(shí)現(xiàn)寬波段、高靈敏度、高分辨率的觀測能力，加之載荷種類全、復(fù)雜性高，對平臺(tái)提出更高的保障能力，如復(fù)雜的熱控保障、對地測控與數(shù)傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力等。
X射線天文衛(wèi)星的研制始于美國。1970年，美國發(fā)射了第一顆X射線天文衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了X射線的巡天，開創(chuàng)了空間高能天文的新領(lǐng)域，打開了人類觀測宇宙的新窗口。我國硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星工程則于2011年3月立項(xiàng)。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星工程總師馬世俊說，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星填補(bǔ)了我國空間X射線天文衛(wèi)星研制的空白，實(shí)現(xiàn)了我國天文觀測由地面觀測到天地聯(lián)合觀測的跨越，鑄就了我國天文學(xué)發(fā)展史上的里程碑，同時(shí)也推動(dòng)了航天技術(shù)發(fā)展，大幅提升我國空間科學(xué)水平。
對銀河系進(jìn)行高靈敏度的巡天監(jiān)測，可首次獲得高能天體動(dòng)態(tài)圖景
目前，國際上在軌運(yùn)行的X射線天文衛(wèi)星共有7顆，與它們相比，我國的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“牛”在哪兒？
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星系統(tǒng)載荷分系統(tǒng)專家宋黎明介紹，從工程和技術(shù)指標(biāo)上來講，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星在同類衛(wèi)星中優(yōu)勢非常明顯。首先，功能性能強(qiáng)，既能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)觀測，又能對大天區(qū)進(jìn)行掃描成像，還能監(jiān)測空間的高能爆發(fā)源。第二，探測波段寬，利用三種探測器，實(shí)現(xiàn)了1—250keV的全覆蓋。第三，探測面積大，尤其是高能X射線望遠(yuǎn)鏡的探測面積超過了5000平方厘米，是國際上同能區(qū)面積最大的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡。此外，衛(wèi)星還具有工作模式多、平臺(tái)高可靠的優(yōu)點(diǎn)，在各種極端條件下都能可靠地完成觀測、數(shù)據(jù)星上存貯和及時(shí)下傳等工作，保證任務(wù)可順利實(shí)施。
“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星將會(huì)對銀河系進(jìn)行高靈敏度、高頻次的寬波段X射線巡天監(jiān)測，大天區(qū)、大有效面積的寬波段X射線掃描巡天觀測能力，可以更有效地發(fā)現(xiàn)處于暴發(fā)態(tài)的X射線暫現(xiàn)源，在國際上首次系統(tǒng)性地獲得銀河系內(nèi)高能天體活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖景，發(fā)現(xiàn)大量新的天體和天體活動(dòng)新現(xiàn)象。”宋黎明說。
此外，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星具有獨(dú)特的研究X射線雙星多波段X射線快速光變的能力，預(yù)期可以在黑洞和中子星雙星的研究中獲得許多新成果。同時(shí)，具有國際上硬X射線和伽馬射線能段最大面積的探測器，硬X射線天文望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星成為這一能段天空中最靈敏的探測器。
“值得一提的是衛(wèi)星在200keV—3MeV的全天監(jiān)測能力。我們在衛(wèi)星進(jìn)入正樣階段后發(fā)現(xiàn)，在高能X射線望遠(yuǎn)鏡正常的工作模式之外，通過對其光電倍增管的高壓進(jìn)行調(diào)整，可以用于對伽馬射線暴的全天監(jiān)測，因此增加了這一伽馬射線暴監(jiān)測模式。在200keV—3MeV能區(qū)，HXMT監(jiān)測伽馬射線暴的有效觀測面積相比以往的設(shè)備可提高10倍左右。由于引力波暴也可能產(chǎn)生伽馬射線暴，HXMT在搜尋引力波電磁對應(yīng)體方面也具有重要意義和明顯的國際競爭力。”宋黎明說。
面向全國征集觀測提案，并將協(xié)同其他天文衛(wèi)星聯(lián)合觀測
宋黎明介紹，作為我國首顆真正意義上的空間X射線望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)小型空間天文臺(tái)，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星向中國的天文學(xué)家全面開放，面向全國征集科學(xué)觀測提案，并引導(dǎo)我國和國外地面天文設(shè)備對高能活動(dòng)天體開展多波段聯(lián)合觀測，實(shí)現(xiàn)天地一體聯(lián)合觀測。同時(shí)，也將協(xié)同國際上其他在軌運(yùn)行的天文衛(wèi)星，開展對重要天體的聯(lián)合觀測。
硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星發(fā)射入軌之后的第五天將對科學(xué)儀器加電，開始為期5天的整體功能測試，然后進(jìn)行為期140天的儀器性能測試、在軌標(biāo)定觀測和試觀測，計(jì)劃于今年11月進(jìn)入常規(guī)科學(xué)觀測。
趙堅(jiān)介紹，目前，中國國家航天局正在會(huì)同有關(guān)單位編制《關(guān)于促進(jìn)空間科學(xué)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，后期將持續(xù)推進(jìn)重大空間科學(xué)任務(wù)，深化論證并啟動(dòng)新的空間科學(xué)項(xiàng)目；強(qiáng)化空間科學(xué)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究；拓展空間科學(xué)領(lǐng)域國際合作。
為進(jìn)一步推進(jìn)我國空間科學(xué)的發(fā)展，“十三五”期間，我國將有4次重要的空間科學(xué)衛(wèi)星和探測器實(shí)施發(fā)射。預(yù)計(jì)今年8月發(fā)射的中意電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星，是用于監(jiān)測獲取空間電離層和磁場異常變化信息的試驗(yàn)衛(wèi)星，研究地震前兆引發(fā)電離層和磁場變化的關(guān)聯(lián)，從而反演地震預(yù)測模型。2018年完成研制并發(fā)射的中法海洋衛(wèi)星，將獲取海面風(fēng)場、海浪等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，主要應(yīng)用于海洋波浪預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。2021年左右完成研制并發(fā)射的中法天文衛(wèi)星，將通過發(fā)現(xiàn)和快速定位各種伽馬暴，星地聯(lián)合完成伽馬暴的電磁輻射性質(zhì)的全面測量，為暗能量和宇宙演化研究提供基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。將在2020年發(fā)射探測和著陸巡視的火星探測器，一次實(shí)現(xiàn)“繞、落、巡”，為后續(xù)開展火星科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。本報(bào)記者 馮 華
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