中国“慧眼”：这下，全宇宙都知道我的厉害了

慧眼如“矩”巧识星...

昨天，又一国家重器正式交付，投入使用，它就是去年飞升上天的“慧眼”硬X射线调制望远镜。

寻找黑洞、中子星，巡视银河系，监测伽玛暴……“慧眼”能耐着呢！

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文/韩大炜陈勇刘红薇张双南

本文作者均为中国科学院高能物理研究所“慧眼”研制团队成员。感谢王于仨、崔苇苇、王娟、陈田祥、胡渭、杨彦佶、李炜、霍嘉、张艺、陆波和张子良等低能X射线望远镜研究人员为本文提供部分素材

2017年6月15日，伴随着西部戈壁滩上的一声巨响，我国在酒泉卫星发射中心成功发射硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，简称HXMT）卫星“慧眼”。

紧接着的一星期，慧眼上的高能、中能、低能3组X射线望远镜陆续开机，下传数据良好，在轨测试和数据分析工作紧张有序地进行。

2018年1月30日，慧眼正式交付，投入使用。

三问慧眼

1. 慧眼是谁？上天之后能做什么？

慧眼的哥哥姐姐——“悟空”号暗物质探测卫星、实践十号科学实验卫星、“墨子”号量子通信卫星——早已陆续上天了。它们作为我国首批科学卫星，承担着重大的使命，要让我国在空间基础科学领域取得突破。而慧眼，就是这支队伍里的第4名成员，它要在空间X射线天文领域亮出自己的绝活。

2. 什么是硬X射线，什么又是硬X射线的调制呢？

国际上已经发射了非常多的科学卫星，让望远镜飞上天去，开展天文观测。它们通过接收天体发射出的电磁波，看清太空的模样。比如，“哈勃”是一台可见光波段大型望远镜，“钱德拉”主攻X射线，天宫二号上搭载的“天极”望远镜则把目标瞄准了伽马射线。

在这一过程中，那些望远镜遇到了一块难啃的硬骨头，就是X射线。X射线是能量在1~250千电子伏之间的电磁波，其中能量在20~250千电子伏之间的就是硬X射线。由于X射线光子能量很高，打在镜面上更容易被吸收或者直接通过，而不是发生反射或折射，就像将一块巨石投入水中，只会直直地沉到水底，并不会打出水漂，所以，X射线源的成像观测一度很难开展。

有没有一张天图把它们绘入其中呢？

面对这个世界级难题，20世纪90年代初，中国科学院高能物理研究所的李惕碚和吴枚发展了直接解调方法。他们没有在镜面上做文章，转而用简单成熟的准直型望远镜对X射线进行扫描探测，结合量身打造的图像处理算法，让X射线源成像。这种方法就叫调制。在此基础上，我国提出建造和发射HXMT的构想。

3. 目前，国际上有十几颗X射线天文卫星正在工作，慧眼还会有新发现吗？

面对国际同行的直面竞争，慧眼研制团队使出独门绝技——一句话，扩展能段全覆盖，点石成金巧利用。

慧眼有效载荷结构示意图

下面的3个矩形机箱为低能X射线望远镜，中间的圆形结构为高能X射线望远镜，上面灰色的3个矩形机箱为中能X射线望远镜。图中透明的颜色只是为了区分不同的部件，不代表真实的表面颜色。

慧眼早就架设了中能X射线（能量范围5～30千电子伏）望远镜和低能X射线（能量范围1～15千电子伏）望远镜，加上高能X射线（能量范围20~250千电子伏，也就是硬X射线能段）望远镜，多管齐下，实现了1~250千电子伏的能区全覆盖。也就是说，虽然慧眼的名字里只提到了“硬X射线”，但它的观测范围覆盖了整个X射线能段。

而它真正的实力还不止于此。慧眼研制团队在不增加、不更改软硬件的前提下，对高能望远镜的探测器的工作高压做了适当调整，于是，主探测器中原本用于屏蔽干扰粒子的碘化铯晶体就可以用来观测伽马射线暴了。这一招“点石成金”，将慧眼的观测能区进一步推高到3000千电子伏。同时，它的探测面积超过了5000平方厘米，是国际上同能区探测器中面积最大的。

手握“宽波段”和“大接收面积”这两把利器，慧眼能观察到更多信号，看到对手看不到的天体和现象。

慧眼如炬，慧眼如“矩”

常见的望远镜都有长长的聚焦透镜，是聚焦型望远镜。但慧眼上的高能、中能、低能3个望远镜都采用了矩形的直筒作为光学部分，是标准的准直型望远镜。为什么慧眼要采用这样的设计呢？

所谓聚焦型和准直型，是根据光路的走向划分的。聚焦型望远镜通过设置不同角度的镜面，让进入视场的X射线光子发生反射，聚焦到焦平面探测器上。准直型望远镜没有镜面，视场内的X射线光子可以通过准直器，视场外的X射线光子打在准直器的壁上被吸收。

一台准直型望远镜可以放置不同视场的准直器，从而使它拥有更大的视场。准确地说，它是一只“大眼睛”，能看到的范围很广，虽然不擅长精确地去看天体的细节，但对扫描某个天区很拿手，所以慧眼的一项重要任务就是巡视银河，也就是对银道面进行扫描观测。

准直型的设计对低能望远镜尤其适用。宇宙中的X射线源有个特点——能量越低，光子数量就越多。在观测低能段亮源时，聚焦型望远镜会把所有X射线光子都聚到一点，导致曝光过度，只能看到白茫茫一片；而慧眼上的低能望远镜可以把光子分散开，不管看多亮的源，都不会晃瞎眼。根据统计，即使每秒射来4万个X射线光子，慧眼都能够区分得开。

低能X射线望远镜结构示意图

最外层的遮光罩内有8个格，分别放置不同视场的准直器，准直器上面安装有遮光膜和探测器。图中透明的颜色只是为了区分不同的部件，不代表真实的表面颜色。

与同一波段最知名的钱德拉X射线天文台和牛顿多镜面X射线空间望远镜（XMM-Newton）相比，准直型的慧眼表现出不惧强光的优势，哪怕是面对蟹状星云脉冲星这样的最亮的X射线天体，也可以“迎眼而上”，进行详细观测。

那么，慧眼有没有同为准直型望远镜的对手呢？有，那就是1995年发射的X射线天文卫星罗西X射线计时探测器（Rossi X-ray Timing Explorer，简称RXTE）。它的任务是探测X射线源的快速光变，特点是不能成像，但是具有良好的时间分辨本领、较宽的波段和较大的接收面积。慧眼的低能X射线望远镜虽然面积不如对方，但是胜在可探测能段更低，而且能量分辨率要高得多，也就是可以获得更为精确的能谱信息。

面对茫茫深邃的宇宙未知世界，人类的探索永无止境。在这个伟大的进程中，慧眼力争做到独一无二。

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