慧眼号硬X射线调制望远镜卫星

慧眼号硬X射线调制望远镜卫星

慧眼号卫星采用了我国科学家原创的直接解调方法反演成像技术,是我国研制的第一颗硬X射线天文卫星,使我国在国际竞争激烈的高能天体物理观测领域占有重要的一席之地。

慧眼号硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)卫星,是我国研制的第一颗硬X射线天文卫星。它的出现填补了我国空间X射线探测卫星的空白,实现了我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。HXMT卫星被命名为“慧眼”,除了寓意中国在太空“独具慧眼”以外,同时也为了纪念中国已故核物理学家何泽慧院士。在HXMT卫星立项面临困难的情况下,何泽慧院士两次致信国家领导人,请求关心HXMT项目,“使我国抓住利用方法的原始创新,在一个新的领域取得突破的机会”。

慧眼号及其观测示意图

1993年,慧眼号由中国科学院高能物理研究所提出并负责卫星有效载荷、地面应用系统和科学研究工作,2005年8月和2007年3月,HXMT作为中国第一台太空望远镜被列入国家《“十一五”空间科学发展规划》和《航天发展“十一五”规划》,并于2017年6月15日11时在酒泉卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射至预定轨道。

慧眼号设计寿命4年,呈立方体构型,总质量约为2 500千克,装载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器4个探测有效载荷,可观测1~250 keV能量范围的X射线和监测200 keV~3 MeV能量范围的γ射线。慧眼号采用了我国科学家原创的直接解调方法反演成像技术,通过宽波段、高灵敏度、高空间分辨率的X射线实现巡天观测、定点观测和小天区扫描,在世界现有X射线天文卫星中,具有先进的暗弱变源巡天能力、独特的多波段快速光变观测能力等优势。在卫星研制过程中,科学家攻克了诸多设计难题,取得了X射线探测载荷一体化设计与实施、惯性空间任意姿态下对地测控与数传链路保障技术等多项技术突破,有力促进了新型元器件、特殊材料制备、载荷结构高精度加工等的发展。

慧眼号卫星发射入轨后,开展了4个方面的空间探测活动。

(1)对银道面进行巡天观测,发现新的高能变源和已知高能天体的新活动。

(2)通过观测和分析黑洞、中子星等高能天体的光变和能谱性质,加深对致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程的认识。

(3)在硬X射线/软γ射线能区获得γ射线暴及其他爆发现象的能谱和时变观测数据,研究宇宙深处大质量恒星死亡以及中子星并合等导致的黑洞的形成过程。

(4)探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理并开展在轨实验。

X射线本质上和可见光一样都是电磁波,只不过它的波长极短,能量又很高。它不会像可见光那样在镜面上发生折射或者反射从而聚焦成像,往往会直接砸在镜面上或者穿透镜面。能量越大,它的穿透力就越强。科学家们想了许多办法解决这一难题,比如发明掠射式镜面,即把镜面的粗糙度制作得足够低,同时X射线入射时与镜面的夹角足够小,但制作难度颇大。我国科学家独辟蹊径,在算法上下功夫,提出了直接解调成像的方法。20世纪90年代初,李惕碚院士与吴枚研究员便找到了一种算法,即使无法实现聚焦,仍可将有效调解之后的信号成像。后来李惕碚院士又结合扫描探测技术,提出了硬X射线调制望远镜的概念。

不同于聚焦式X射线望远镜,慧眼号是运用直接解调方法的调制望远镜,直接收集X射线,通过对接收到的数据进行计算分析,反演出遥远天体的真实图像。其结构相对简单,大大降低了研制费用,而且分辨率更高,受外界干扰产生的噪音信号更小。

慧眼号最核心的载荷是三台望远镜:高能、中能、低能X射线望远镜。其中,高能X射线望远镜由18个单体探测器组成,犹如蜻蜓的复眼,每个小眼睛都会收集一些光信号。这些光信号经过汇总、计算处理后,便被整合成一张完整的图像。

慧眼号的成功发射和运行,使中国在国际竞争激烈的高能天体物理观测领域占有重要的一席之地。2017年8月,升空仅2个月、仍处于调试期的慧眼号参与了双中子星并合引力波事件GW 170817对应的γ射线暴GRB 170817A的观测。2020年 9月4日,《人民日报》报道,中国第一颗硬X射线天文卫星慧眼号卫星团队通过对X射线吸积脉冲星GROJ008-57的观测,采用直接测量的方法得到该脉冲星表面磁场强度为约10亿特斯拉,这是迄今为止,人类直接且非常可靠地测量到的宇宙中的最强磁场。2021年2月19日,研究人员在《自然·天文学》在线发表慧眼号的观测成果,确认快速射电暴可以起源于磁星爆发,破解快速射电暴的起源之谜。慧眼号还发现了距离黑洞最近的相对论喷流,发现了黑洞双星中逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流(简称冕),并首次在黑洞双星中观测到冕的速度演化。

虽然慧眼号设计寿命4年,但目前慧眼号的状态良好,卫星平台备用资源完好,预期可运行8~10年。

慧眼号观测吸积脉冲星艺术想象图