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黑洞，這個(gè)吞噬一切的神秘天體，魔咒一般地吸引著我們，從未停止。但是，50多年過(guò)去了，人類(lèi)對(duì)黑洞的探索仍然處于初始階段。

為了研究黑洞、中子星等高能致密天體的基本物理性質(zhì)以及對(duì)周?chē)鷷r(shí)空的影響，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和航天科技集團(tuán)五院等單位研制了我國(guó)第一顆空間X射線(xiàn)天文衛(wèi)星——硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）衛(wèi)星。

HXMT衛(wèi)星的科學(xué)目的是什么？它的觀測(cè)過(guò)程是怎樣的？與其它天文衛(wèi)星相比有什么特點(diǎn)和突破？未來(lái)會(huì)有哪些科研發(fā)現(xiàn)？

帶著這些問(wèn)題，我們對(duì)中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、HXMT衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南研究員進(jìn)行了采訪。

中科院高能物理研究所研究員、中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、HXMT衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南

張雙南研究員介紹說(shuō)，HXMT衛(wèi)星目的就是接收來(lái)自天體的X射線(xiàn)，當(dāng)然這種天體可以是中子星，也可以是黑洞。我們主要是希望尋找一些以前不知道的黑洞和中子星，同時(shí)，對(duì)已經(jīng)知道的也進(jìn)行觀測(cè)和研究，目的是用來(lái)拓展我們對(duì)于黑洞和中子星的知識(shí)。

在宇宙中，當(dāng)物質(zhì)被致密天體的引力俘獲后，會(huì)以螺旋運(yùn)動(dòng)掉向中心天體，速度越來(lái)越快，溫度越來(lái)越高，最后會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的、比一般X射線(xiàn)能量高的硬X射線(xiàn)。

雖然X射線(xiàn)穿透能力比較強(qiáng)，但也不能穿透地球大氣，所以我們必須要到地球大氣層以外才有可能探測(cè)到來(lái)自天體的X射線(xiàn)。

從一窮二白到自主研發(fā)空間天文衛(wèi)星

早在20世紀(jì)70年代，中國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了X射線(xiàn)天文觀測(cè)。中科院高能所利用高空氣球搭載X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡，在40公里高空對(duì)X射線(xiàn)脈沖星、黑洞等類(lèi)型的天體進(jìn)行了觀測(cè)研究，HXMT衛(wèi)星正是在氣球?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上提出和研制的。

為了完成這樣的一個(gè)科學(xué)裝置，科學(xué)家們前前后后共努力了差不多20年的時(shí)間，克服了各方面出現(xiàn)的困難，最終才走到了今天。

第一，項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足。在HXMT衛(wèi)星之前，我們國(guó)家沒(méi)有真正做過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡，尤其是空間天文望遠(yuǎn)鏡，對(duì)如何推動(dòng)項(xiàng)目發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)不足。

第二，經(jīng)費(fèi)不足。以前我們的科研投入量比較小，但近幾年隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)費(fèi)逐漸能滿(mǎn)足需求，可以支持HXMT衛(wèi)星的研制建造。

第三，人才不足。在人才隊(duì)伍方面，雖然我們國(guó)家有航天隊(duì)伍，但研究空間、天文儀器的隊(duì)伍非常小，不適應(yīng)這么大型的X射線(xiàn)衛(wèi)星的研制。

第四，技術(shù)要求高。因?yàn)檫@個(gè)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思路非常創(chuàng)新，用了很多新的空間儀器的技術(shù)，我們需要自己研發(fā)，之后按照航天要求把它研制出來(lái)，這個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜。

既然這么困難，為什么我們一定要建造它呢？

張雙南老師介紹，空間天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)探索宇宙的一個(gè)窗口。人類(lèi)在開(kāi)創(chuàng)了這個(gè)領(lǐng)域之后，就發(fā)射了各種各樣的天文衛(wèi)星，也包括我們很熟悉的哈勃天文衛(wèi)星，所以人類(lèi)對(duì)宇宙的探索是不會(huì)停止的，會(huì)一直進(jìn)行的。

中國(guó)是一個(gè)航天大國(guó)，世界上其他航天大國(guó)在利用航天來(lái)做科學(xué)研究方面都做了非常多的事情，而我們國(guó)家在這方面做得比較少，硬X射線(xiàn)調(diào)制望遠(yuǎn)鏡是比較自然地進(jìn)入空間開(kāi)展基礎(chǔ)研究的一個(gè)領(lǐng)域，所以就選擇了這個(gè)領(lǐng)域作為突破口。

HXMT衛(wèi)星運(yùn)行示意圖

特點(diǎn)：能量覆蓋面積廣 儀器幾何面積大 望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)寬

張雙南老師具體解釋說(shuō)，首先，這個(gè)X射線(xiàn)的儀器覆蓋的范圍是比較廣的，覆蓋從1kev到300kev左右，有基本上300倍的能量覆蓋的范圍，如果再加上對(duì)伽馬射線(xiàn)暴的探測(cè)能力，到3000個(gè)kev，覆蓋的范圍就有3000倍，很少有這樣一個(gè)衛(wèi)星能有這樣寬的光子覆蓋范圍。

另外，就是涉及到的儀器，我們儀器的幾何面積是比較大的。比如，高能段儀器的幾何面積達(dá)到了5000平方厘米，這是在這個(gè)能量段最大的面積。

此外，望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)是比較寬的，它適合做一些天體物理的研究。比如，我們將會(huì)對(duì)中子星和黑洞進(jìn)行非常高統(tǒng)計(jì)量、高波段的研究，這是以前的天文望遠(yuǎn)鏡或者X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡比較難做到的。由于視場(chǎng)相對(duì)比較寬，面積又比較大，這樣我們對(duì)于銀河系內(nèi)的一些比較弱的源變化就會(huì)比較敏感，所以我們會(huì)對(duì)銀河系進(jìn)行巡天的工作，來(lái)搜尋銀河系內(nèi)有多少像這樣的比較暗弱、隨時(shí)間變化的天體，這對(duì)我們理解銀河系內(nèi)的中子星和黑洞都是非常重要的。

它和其它望遠(yuǎn)鏡不同，并不是說(shuō)它比其它的望遠(yuǎn)鏡好，而是指在某些方面我們有自己的特色，在這些方面我們能夠做得好一些，所以我們的科學(xué)觀測(cè)也就圍繞著優(yōu)勢(shì)進(jìn)行。

HXMT衛(wèi)星巡天觀測(cè)模式示意圖

三種觀測(cè)模式：掃描巡天、定向觀測(cè)和定點(diǎn)監(jiān)測(cè)

HXMT衛(wèi)星的觀測(cè)主要是有三種模式。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是，掃描巡天模式、定點(diǎn)觀測(cè)的模式和伽馬射線(xiàn)暴監(jiān)測(cè)模式。

首先，掃描巡天模式。我們預(yù)測(cè)銀河系里有很多中子星和黑洞，但是它們?cè)谀睦?，都是什么樣子的，很多都還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，所以這個(gè)衛(wèi)星會(huì)對(duì)銀河系進(jìn)行掃描和巡天的工作；

其次，定向觀測(cè)模式。我們已經(jīng)知道了一些天體源，或者通過(guò)巡天發(fā)現(xiàn)的天體源，我們會(huì)用望遠(yuǎn)鏡指向它，這就叫做定向觀測(cè)；

最后，伽馬射線(xiàn)暴監(jiān)測(cè)模式。這相當(dāng)于守株待兔的模式，如果有一些非常強(qiáng)烈的伽馬射線(xiàn)暴被發(fā)現(xiàn)，儀器就會(huì)監(jiān)測(cè)到這個(gè)高流量的信號(hào)到達(dá)，我們會(huì)來(lái)提供一個(gè)警報(bào)來(lái)進(jìn)行后續(xù)的觀測(cè)等等。

對(duì)于這三種模式，張雙南老師舉了一個(gè)很形象的例子，“就像有一個(gè)男生，在天安門(mén)廣場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有美女，他就很仔細(xì)地在茫茫人海當(dāng)中想找到一個(gè)美女，找到之后，他會(huì)仔細(xì)地盯著這個(gè)美女去欣賞，這相當(dāng)于我們的第二種模式，定向觀測(cè)。然后還有可能某個(gè)地方出現(xiàn)了某個(gè)女神、某個(gè)電影明星，她引起了轟動(dòng)，他立刻轉(zhuǎn)過(guò)去盯著這個(gè)女神看，所以這樣有一點(diǎn)像這三種過(guò)程，掃描以及定向和監(jiān)測(cè)的過(guò)程?！?

獲取一手?jǐn)?shù)據(jù) 未來(lái)有望取得的進(jìn)展

觀測(cè)后，HXMT衛(wèi)星主要在四個(gè)方面有可能取得比較大的進(jìn)展：

第一，預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)現(xiàn)一批新的天體源，主要是中子星和黑洞為主的新的高能天體；

第二，對(duì)一批比較亮的中子星和黑洞進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)；

第三，我們有可能會(huì)對(duì)中子星和黑洞的基本的性質(zhì)，比如中子星的磁場(chǎng)和中子星的質(zhì)量、黑洞的質(zhì)量和黑洞的自轉(zhuǎn)等做出新的測(cè)量，也可以了解它們?yōu)槭裁磿?huì)有各種各樣的活動(dòng)性；

第四，對(duì)宇宙進(jìn)行“監(jiān)視”，我們預(yù)期每年能發(fā)現(xiàn)幾十個(gè)到幾百個(gè)伽馬射線(xiàn)暴，當(dāng)然如果有些伽馬射線(xiàn)暴將來(lái)能和引力波事件建立關(guān)系，將會(huì)成為比較重要的進(jìn)展。

同時(shí)，必須指出，科學(xué)研究中不乏意外的收獲，我們也十分期待HXMT能帶給我們意外的驚喜。