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摘要用宇宙作為物理實驗室,探索在地球上無法企及的條件下,例如極早期宇宙或黑洞視界附近強(qiáng)引力場中的物理規(guī)律,已成為新世紀(jì)物理學(xué)和天文學(xué)共同的前沿課題;空間天文觀測是其中一個最重要的研究途徑.自主研制和發(fā)放空間硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT),實現(xiàn)中國空間天文衛(wèi)星零的突破,是中國《“十一·五”空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃》的目標(biāo)之一.HXMT將實現(xiàn)寬波段X射線(1—250keV)巡天,其中在硬X射線波段具有世界最高靈敏度和空間分辨率,發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和未知類型天體,探測宇宙硬X射線背景輻射;HXMT還將通過對黑洞和其他高能天體寬波段X射線時變和能譜的觀測,研究致密天體極端物理條件下的動力學(xué)和輻射過程.基于成像技術(shù)創(chuàng)新提出HXMT項目迄今已有15年,能不能抓住技術(shù)創(chuàng)新所提供的科學(xué)機(jī)遇仍然是一個嚴(yán)重的挑戰(zhàn).

關(guān)鍵詞高能天體物理,黑洞,空間天文

Abstract:UsingtheuniverseasauniquelaboratoryforprobingthelawsofphysicsinregimesnotaccessibleonEarth,suchastheveryearlyuniverseorstronggravityfieldsneartheeventhorizonofablackhole,isanewcommonfrontierbetweenphysicsandastronomy.ThehardX-raymodulationtelescope(HXMT)missionisthefirstdedicatedastronomysatelliteinthe2006—2010five-yearplanforspacescienceunveiledbytheNationalSpaceAdministrationofChina.TheHXMTmissionwillperformawideband(1—250keV)all-skysurveywiththebestsensitivityandangularresolutioninthehardX-rayrangeasablackholefinderandcosmichardX-raybackgroundobserver,andmakesensitivepointedtimingandspectralobservationsforstudyingtheunderlyingphysicsprocessesofblackholesandothercompactobjects.FifteenyearshavepassedsincethesubmissionoftheHXMTproposalbasedonanewimagingtechnique.ItisstillachallengeforChinatoseeifthescientificopportunitycreatedbysuchatechnologicalinnovationcanbefinallygrasped.

Keywords:high-energyastrophysics,blackhole,astronomyfromspace

1X射線天文學(xué)的開拓

天體的高能輻射(X射線､γ射線)被地球大氣吸收,必須在地外空間才能被觀測到.1962年,美國科學(xué)工程公司一個青年核工程師賈科尼(R.Giacconi),聯(lián)合麻省理工學(xué)院的學(xué)者,用探空火箭把X射線計數(shù)器放到高空,探測月面被太陽照射時產(chǎn)生的熒光X射線,意外地在月亮和太陽以外的天區(qū)探測到一個很強(qiáng)的X射線源[1].當(dāng)時用的X射線探測器不能成像,只能測得寬視場中的X射線光子計數(shù),不能確定X射線天體的位置.1965年,在美國工作的日本學(xué)者小田(M.Oda)提出準(zhǔn)直器調(diào)制定位方法[2],可以利用簡單的X射線計數(shù)器確定X射線源的方位.1966年,賈科尼､小田等將加了準(zhǔn)直器的X射線探測器用火箭重新發(fā)射上天,測出這個X射線源在天蝎座,這就是人類發(fā)現(xiàn)的第一個宇宙X射線源天蝎座X-1.1970年,采用這一技術(shù)的X射線天文衛(wèi)星“Uhuru(自由號)”上天.Uhuru實現(xiàn)了人類歷史上首次X射線(2—20keV)巡天,發(fā)現(xiàn)了400多個宇宙X射線源.其后,賈科尼等發(fā)展了X射線掠射成像技術(shù),發(fā)放了“愛因斯坦天文臺”等X射線成像衛(wèi)星,使X射線天文學(xué)走向成熟.2002年,賈科尼由于開拓了人類觀測宇宙的新窗口——X射線天文學(xué)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎.

2硬X射線天文

對于研究天體極端條件下的高能過程,光子能量高于10—20keV的硬X射線是比X射線更重要的窗口.例如,黑洞吸引周圍物質(zhì)形成吸積盤,其最后一個穩(wěn)定軌道內(nèi)邊緣的溫度達(dá)到數(shù)百萬､上千萬度,發(fā)射強(qiáng)烈的軟X射線.而從吸積盤邊緣到黑洞視界的高溫等離子體溫度高達(dá)數(shù)十億度,這個區(qū)域主要發(fā)射比軟X射線能量更高的硬X射線.所以,硬X射線是研究鄰近黑洞強(qiáng)引力場區(qū)域時間､空間和物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)鍵波段.而且很多巨型黑洞被塵埃包圍,軟X射線無法穿透,只能用硬X射線探測器去發(fā)現(xiàn)它們.上世級90年代初,美國科學(xué)研究委員會天體物理委員會在規(guī)劃未來十年美國天體物理發(fā)展的報告中指出,高能天文觀測存在一個重要的缺口,就是硬X射線波段,預(yù)期這個波段將是非常富有成果的領(lǐng)域,報告將硬X射線成像列為優(yōu)先級最高的90年代空間高能項目;美國宇航局也把硬X射線巡天列為90年代空間高能天體物理的首要任務(wù).

硬X射線成像比X射線成像困難得多.上世紀(jì)70年代開始發(fā)展了編碼孔徑成像技術(shù),它是用探測器陣列與編碼孔板構(gòu)成的編碼孔徑望遠(yuǎn)鏡,記錄不同方向入射的光子編碼板投影的疊加,然后再借助于解調(diào)或者反演的數(shù)學(xué)方法求出影像.上世紀(jì)90年代,歐洲和美國先后開始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛(wèi)星.

3直接解調(diào)方法

我們于上世紀(jì)90年代初提出直接解調(diào)方法[3],用簡單成熟的硬件技術(shù)可以實現(xiàn)高分辨和高靈敏度硬X射線巡天.自從高斯發(fā)明最小二乘法以來,人們總是借助一些簡化的最優(yōu)化條件(如最小二乘條件､最大熵條件或最大似然條件)或線性數(shù)學(xué)變換(如傅里葉變換),實現(xiàn)由觀測數(shù)據(jù)到真實對象的反演;直接解調(diào)方法則應(yīng)用非線性的數(shù)學(xué)手段,直接解原始的測量方程,實現(xiàn)反演成像.由于更充分地利用了數(shù)據(jù)中有關(guān)測量對象和測量儀器的信息,同樣的數(shù)據(jù)經(jīng)直接解調(diào)可以得到比傳統(tǒng)方法好得多的反演結(jié)果.把直接解調(diào)技術(shù)運用于實驗設(shè)計,可以突破儀器內(nèi)稟分辨的限制,用簡單的非成像探測器掃描觀測,實現(xiàn)高靈敏度和高分辨率的成像.與復(fù)雜和昂貴的編碼孔徑成像系統(tǒng)相比,簡單的準(zhǔn)直探測器掃描數(shù)據(jù)直接解調(diào)成像的,分辨率高,同時噪音干擾被有效抑制,背景異常干凈.直接解調(diào)方法提出之初,用低分辨的非成像探測器能實現(xiàn)高分辨成像難以被接受,曾被稱為“魔術(shù)”,直接解調(diào)成像結(jié)果甚至被懷疑為弄虛作假.新方法取得認(rèn)可經(jīng)歷了一個長期的過程:論證了方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);用地面實驗和球載硬X射線望遠(yuǎn)鏡飛行驗證了直接解調(diào)成像的可行性;應(yīng)用直接解調(diào)技術(shù)重新分析多種國際空間天文衛(wèi)星的檔案數(shù)據(jù),大大提高了其結(jié)果的質(zhì)量(利用一些非成像衛(wèi)星的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了高分辨成像,并獲得一些重要的天文發(fā)現(xiàn)).經(jīng)過十年左右的理論､實驗和數(shù)據(jù)分析工作,國內(nèi)外學(xué)者開始接受直接解調(diào)方法,例如,2002年7月,歐洲空間局在意大利舉行空間科學(xué)暑期講習(xí)班,將“直接解調(diào)方法”列為成像方法課程.

4硬X射線天文衛(wèi)星HXMT

1993年,中國科學(xué)院高能物理研究所高能天體物理實驗室研制的非位置靈敏硬X射線探測器HAPI-4(見圖1),在高空氣球飛行中對恒星級黑洞天鵝座X-1進(jìn)行掃描觀測,利用直接解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)了高分辨硬X射線成像[4].在此基礎(chǔ)上,作為“九五”重大科學(xué)工程侯選項目,我們提出用成熟廉價的探測技術(shù)建造和發(fā)放世界最高靈敏度和最高空間分辨本領(lǐng)的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡HXMT的建議.HXMT望遠(yuǎn)鏡由18個準(zhǔn)直NaI/CsI復(fù)合晶體單元構(gòu)成,總面積為5000cm2,準(zhǔn)直器視場為1°×6°,探測能區(qū)為20—250keV,成像分辨率好于5角分.1994年5月,對該建議的評審結(jié)論是“空間高能X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡采用我國發(fā)展的直接解調(diào)成像方法,如能確認(rèn)則可望成為世界上第一臺高能X射線的高靈敏度､高分辨率的成像望遠(yuǎn)鏡,在硬X射線天體的發(fā)現(xiàn)和研究方面作出重大貢獻(xiàn).技術(shù)(硬件)儲備較好.主要問題是作為核心的方法有待確認(rèn)”.

經(jīng)過多年時間,直接解調(diào)方法慢慢地被較多人認(rèn)可.1998年,為利用直接解調(diào)新技術(shù)開拓空間天文前沿,44位物理､天文和空間科學(xué)技術(shù)方面的學(xué)者(包括9位在海外的中國學(xué)者)聯(lián)合提出國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目建議書.2000年,973項目“天體高能輻射的空間觀測與研究”立項.2000—2005年,在973項目支持下,中國科學(xué)院高能物理研究所和清華大學(xué)合作建成HXMT望遠(yuǎn)鏡主探測器1:1地面樣機(jī)(見圖2).地面樣機(jī)對放射源掃描成像結(jié)果(如圖3),證實了用HXMT實現(xiàn)高分辨率成像的可行性.

5硬X射線巡天

1993年提出的HXMT衛(wèi)星項目,期望能在歐美之前,以好于5角分的分辨率實現(xiàn)硬X射線的首次成像巡天,發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和其他高能天體.當(dāng)時,歐洲剛開始研制基于編碼孔徑成像技術(shù)的INTEGRAL衛(wèi)星,由2500個硬X射線/γ射線探測單元組成,總面積2500cm2,設(shè)計的成像角分辨率為15角分.HXMT的成像分辨率和靈敏度比INTEGRAL好得多,但技術(shù)難度和造價卻低得多,領(lǐng)先實現(xiàn)硬X射線巡天是完全可能的.可惜的是,由于對直接解調(diào)新方法的疑慮,HXMT項目立項被長期拖延,而INTEGRAL衛(wèi)星卻于2002年成功發(fā)射上天.INTEGRAL雖然不是為實現(xiàn)巡天設(shè)計的衛(wèi)星,但鑒于硬X巡天的重要性,INTEGRAL上天后用累積大量局部天區(qū)成像的方式努力實現(xiàn)大天區(qū)成像,發(fā)現(xiàn)了幾十個以前沒有看到的超大質(zhì)量黑洞.隨后,2004年美國又發(fā)射了可以實現(xiàn)硬X射線巡天的編碼孔徑成像望遠(yuǎn)鏡SWIFT,角分辨率為14角分.雖然HXMT仍然可以實現(xiàn)靈敏度､空間分辨率和曝光均勻性比INTEGRAL和SWIFT更好的巡天,能發(fā)現(xiàn)更多的硬X射線天體,但中國實現(xiàn)人類首次硬X射線巡天的難得的歷史性機(jī)遇已經(jīng)喪失.

6超越愛因斯坦

“超越愛因斯坦”是21世紀(jì)美國NASA的一個重大的空間科學(xué)計劃,其科學(xué)目標(biāo)是了解:(1)是什么驅(qū)動了宇宙大爆炸;(2)黑洞附近時間､空間和物質(zhì)的性質(zhì);(3)什么是暗能量.“超越愛因斯坦”計劃通過對宇宙大爆炸､黑洞和暗能量的空間科學(xué)觀測,尋求物理科學(xué)新的突破.

HXMT是發(fā)現(xiàn)黑洞和研究致密天體強(qiáng)引力場中動力學(xué)與高能過程的強(qiáng)有力的實驗裝置.在“超越愛因斯坦”計劃的下一代黑洞搜尋者(BlackHoleFinderProb)之前,HXMT能夠以最高靈敏度和分辨率發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和其他未知類型高能天體,并研究宇宙硬X射線背景的性質(zhì).HXMT衛(wèi)星的低能(1—15keV)､中能(5—30keV)和高能(20—250keV)三個望遠(yuǎn)鏡都是準(zhǔn)直型探測器,直接解調(diào)掃描數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)高分辨和高靈敏度成像以及對彌散源的成像;而大面積準(zhǔn)直探測器又能獲得特定天體目標(biāo)的高統(tǒng)計和高信噪比數(shù)據(jù),使HXMT既能實現(xiàn)大天區(qū)成像,又能通過寬波段時變和能譜觀測研究天體高能過程,有機(jī)會為實現(xiàn)“超越愛因斯坦”的目標(biāo)作出獨到的貢獻(xiàn).

HXMT建議提出3年后,筆者之一于1996年8月初在香港召開的“21世紀(jì)華人天文學(xué)會議”上介紹了這個項目[5].報告的結(jié)束語說:“由于在硬X波段具有前所未有的靈敏度和成像能力,HXMT衛(wèi)星將對空間天文的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn).對于中國,這是一個難得的機(jī)遇去實現(xiàn)人類首次硬X射線高靈敏度和高分辨率巡天,這也是對于中國科學(xué)界及其領(lǐng)導(dǎo)者的判斷力､自信心與勇氣的一個挑戰(zhàn)”.

報告結(jié)束,來自臺灣在美國NASA戈達(dá)特飛行中心工作的著名理論天體物理學(xué)家丘宏義教授從頭排的座位站了起來,興奮地?fù)]動著手臂說:“太好了,我們可以超過美國人了!”他接著講了一個故事:小田因為發(fā)明X射線調(diào)制器實現(xiàn)X射線天體定位和第一顆X射線衛(wèi)星上天而變得很有名氣;當(dāng)他從美國回到日本時,受到天皇接見.天皇問他:“小田先生,你發(fā)明的這個調(diào)制器有什么用處?”小田答道:“沒有什么用處,最重要的用處就是能夠得到陛下的接見!”

小田于1965年提出準(zhǔn)直調(diào)制方法時,在美國光學(xué)雜志發(fā)表的文章篇幅不足一頁,次年用火箭飛行測得第一個宇宙X射線源,4年后,X射線衛(wèi)星Uhuru就升空了,實現(xiàn)了X射線巡天的開拓.我們在1992年建立直接解調(diào)方法,也用了1年時間由氣球飛行實現(xiàn)了對天鵝座X-1的直接解調(diào)成像.但是,15年過去了,從丘先生激動地期待算起也已經(jīng)過去了12年,至今硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星的工程立項還未能完成.作為在中國從事科學(xué)研究的工作者,十多年來我們不斷地聆聽要努力創(chuàng)新的教導(dǎo),或承受沒本事創(chuàng)新的指責(zé),無緣體味小田式的幽默灑脫.面對激烈的國際竟?fàn)?我們?nèi)匀辉谂χ推硗路椒ㄋ峁┑目茖W(xué)機(jī)遇不至于最終被完全地喪失掉.

參考文獻(xiàn)

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