硬×射线调制望远镜HXMT探索宇宙的慧眼

伤我心太深

　　天文观测技术与接收信号的波长密切相关。在可见光波段，哈勃空间望远镜已做出一系列重大科学发现。但在更短波长的×射线高能领域，尚有若干重大科学问题有待突破。这为中国空间天文探测冲击世界领先水平提供了难得机遇。


　　高能天体物理之所以引起人们的极大兴趣，是因为它的研究对象是那些极端物理环境中的神秘天体，包括超新星爆发之后的致密残骸——中子星或黑洞。它们与星系的产生和演化，以及时空和物质的基本物理特性都有着密切的联系，为人类架设起一座气体动力学、粒子加速和辐射过程的天然实验室。这些高能天体在可见光波段通常都很暗弱，有些还被厚厚的尘埃遮挡;但如果有一双观察×射线的眼睛，我们就会看到遍布宇宙的超新星、中子星、伽马射线暴、黑洞吸积盘都在像灯塔一样源源不断地辐射能量，让整个天空都变成高能天体的世界。






　　还有一个科学概念需要说明，那就是×射线的“软硬”之分。×射线和可见光一样，本质上都是电磁波，都具有波粒二象性，只是波长与能量不同，所以在传播过程中显现出来的性质也有所不同。×射线因为波长极短，能量又很高，在传播的时候更接近粒子。按照科学家的传统划分，能量在20千电子伏(keV)以上的×射线，被称为硬×射线;能量在10 keV以下的，就被称为软×射线。高能天体发出的硬×射线，更容易穿透宇宙尘埃和气体云团，不受它们的遮挡。


　　然而，要想获得硬×射线的天空图像，是一项复杂而艰巨的工程。最大的困难在于X射线穿透力太强，当我们把一台普通的光学望远镜对准×射线天体的时候，×射线不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射，而是直线穿过镜面，另有一部分被吸收。因此，使用普通的光学成像系统，无法汇聚零散的×射线光子来形成较为明亮且可被识别的天文图像。所以早期的×射线观测都是简单地探测来自天体源的光子数目，没有空间分辨能力。


　　要给×射线成像，一般要用到“掠入射”这一物理现象，也就是让望远镜的镜片尽可能光滑，并让×射线从侧面入射。这时反射率就会大大提高——这与“打水漂”的原理比较相似。整个接收器被设计成光滑的漏斗形状，并具有多层嵌套结构，×射线在其中不断反射前进，就会在漏斗尾部汇聚起来。


　　1999年，欧洲空间局发射的XMM牛顿空间望远镜实现了能量在10keV以下的软X射线聚焦成像;美国航空航天局的钱德拉X射线空间望远镜标志着×射线天文学从测光时代进入了光谱时代。“钱德拉”的镜面有多平滑呢?如果把这个镜面放大到地球一样大小，按照镜面的粗糙程度计算，这个“地球”上最高的山峰只有不到2米高。


　　然而，对硬×射线来说，即使这么平滑的镜面反射概率仍然太低。直到2012年，美国发射的核光谱望远镜阵列(Nuclea r SpectroscopicTelescope Array)才以世所罕见的制造工艺实现了硬×射线聚焦成像，将能够成像的能量范围提高到了79 keV。核光谱望远镜阵列的镜面由高密度材料和低密度材料反复重叠200层左右镀成，每层的厚度和表面精度都达到了原子量级。由于这项技术加工难度巨大，装配周期长，并没有得到更广泛的应用。





　　另外一种技术是20世纪70年代开发出的编码孔径成像技术。编码成像技术并不追求直接汇聚×射线，而是在探测器阵列前面加上一块具有编码孔的遮挡板。不同方向入射的光子流穿过编码板，在探测器上会形成不同形态的投影叠加，就像太阳通过树叶的缝隙在地面形成光斑一样。不同方向入射的X射线经过编码板后会形成不同的投影，利用数学模型，从投影可以反推得到入射×射线的方向，从而实现成像。但是编码成像技术也有缺点，它需要编码板和探测器定位极为精准，而且由于编码板的遮挡，入射的×射线受到过滤，探测效率较低。


　　如果能有效解决硬×射线空间分辨的技术难题，就可以实现许多新的科学目标，包括对高能天体做定点观测、获得巡天观测图像、追踪短时爆发现象等。这些目标的实现会将高能天文学的研究推进到一个新的水平。瞄准这一历史契机，中国科学家开始着手建造新的观测设备，也就是2018年年初刚刚投入科学观测运行的“慧眼”硬×射线调制望远镜(Hard X-ray ModulationTelescope，简称HXMT)。


　　“慧眼”是如何突破上面这些技术瓶颈的呢?“慧眼”团队的老一辈核心成员——中科院高能物理研究所李惕碚院士和吴枚研究员，从20世纪90年代起就在孜孜不倦地思索着如何改进×射线成像的问题。经过艰苦努力，他们探索出“直接解调”的方法，即通过准直器来限制入射的×射线，只允许与准直器成一定夹角的X射线穿过，实现对入射X射线的调制。在数据处理中，他们使用非线性数学手段，直接解原始的测量方程，实现反演成像。由于更充分地利用了测量对象和测量仪器的信息，同样的数据经过直接解调可以得到比用传统方法更好的成像效果。与复杂昂贵的编码孔径成像系统相比，用简单的准直探测器扫描数据直接解调成像分辨率高，同时噪音干扰被有效抑制，背景异常干净，从而用简单成熟的硬件技术就可以实现高分辨率、高灵敏度的硬×射线巡天。


　　经过长期不懈的试验改进，直接解调接收系统的研发顺利完成。卫星在运行中，通过调整姿态使准直器扫过天空的不同地区，就可测量得到天空×射线强度的分布，实现硬×射线成像。而且，由于“慧眼”采用了非成像探測器，探测器的数目由新一代伽马射线望远镜的10000个降到了只有18个，极大地降低了电子学数据读出的流量需求，同时降低了功耗。相较于其他×射线空间望远镜，“慧眼”具有更大的面积，因而在观测短时间瞬变和爆发源时，就可以一次性探测到更多的光子数，大大增加了数据的可信度。

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　　“慧眼”的太空探索旅程

　　在茫茫宇宙的“中国方阵”里，与“天宫”系列空间实验室相比，“慧眼”虽是新人，却引起了全世界的持续关注。“慧眼”的独特技术优势在于，它既可以实现宽波段、大视场X射线巡天，又能够研究黑洞、中子星等高能天体的短时标光变和宽波段能谱：同时还具有高灵敏度的伽马射线暴全天监测能力。

　　早在2005年8月和2007年3月，高能X射线望远镜就被列入国家《“十一五”空间科学发展规划》和《航天发展“十一五”规划》。在经历了长期的设计规划和反复论证后，2011年终于正式进入工程研制阶段。突破一系列技术难关后，2017年6月15日最终发射成功，经过5个多月的在轨测试，于2018年1月30日顺利交付，开始了它的科学观测新里程。



　　“慧眼”项目总指挥潘腾说，卫星进入太空后，望远镜就会进入一刻不停、持续不间断的巡天模式。也就是说，在预期4年的寿命中，它每天都要24小时分秒必争地工作，紧盯着宇宙空间，开展对四大科学目标的长期研究：一是通过对银道面、银心和核球的大天区扫描巡天和监测，发现新的高能变源和已知高能天体的新活动：二是通过对河内黑洞和中子星进行长期高频次监测，理解黑洞和中子星系统的活动和演化机制：三是通过对高流强河内黑洞和中子星进行高统计量观测，理解吸积黑洞和中子星系统的基本性质，分析致密天体强引力场和强磁场环境下的物理规律;四是利用其扩展到200千电子伏至3兆电子伏能段的探测能力，获得新的伽马射线暴及其他爆发现象的能谱和时变观测数据，理解高能剧烈爆发天体的基本属性，研究宇宙深处大质量恒星的死亡以及中子星并合等过程中黑洞的形成。


　　除了既定的长期科学目标，“慧眼”望远镜也十分注重学术合作，在条件允许的情况下尽可能实现资源共享。根据首席科学家张双南研究员提供的信息，截至2018年2月，“慧眼”团队已收到国内16家科研院所及高校的90份观测提案，假如全部实现，需要整整7年时间。


　　“慧眼”开始运行不久，就赶上了科学界的重大事件——那就是人类首次探测到引力波。2017年8月17日，美国国家科学基金会宣布，激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件。“慧眼”團队第一时间启动了后续观测及快速数据处理工作流程。在团队的共同努力下.“慧眼”的监测结果于次日3时30分左右在GCN(The Gamma-rayCoordinates Network，伽马射线暴协调网络)上发出，这是GCN上关于该事件的最早报道之一。引力波事件发生时，全球仅有4台×射线和伽马射线望远镜成功检测到爆发天区，中国的“慧眼”望远镜为其中之一，且在0.2兆电子伏至5兆电子伏能区的探测面积最大、时间分辨率最好。虽然这些望远镜在兆电子伏能区均没有探测到高能辐射，但“慧眼”凭借强大的探测性能，对该引力波事件在兆电子伏能区的辐射性质给出了严格的上限。

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　　“慧眼”诞生的奋斗历程


　　老一代科学家李惕碚和吴枚先生虽然成功解决了“成像”难题，奠定了技术基础，但在望远镜研制和项目实施过程中仍然面临一系列技术障碍。比如卫星热控设计方面，为保证有效载荷探测精度，必须将高能、中能、低能探测器集中安装在同一支撑结构上，但它们对温度的要求相差极大。有些灵敏的仪器设备必须在-80℃至一60℃的低温下才能正常工作。“慧眼”卫星工程总工程师、航天科技集团五院研究员马世俊和研发团队成员相互启发、集中攻关，终于琢磨出多级隔热措施、深冷热管技术、梯度温度加热等妙招，成功解决了这一难题。


　　在“慧眼”20年的研发历程中，研发团队一直在不断根据最新科学发展调整设计方案。最主要的变化是，“慧眼”在最早设计方案的基础上增加了低能和中能X射线探测器，把望远镜能够覆盖的观测能区范围扩大到1千电子伏至250千电子伏。对于中子星、黑洞吸积等高能天体，不同能区的光子来自天体周围的不同物理环境，所以更宽波段的观测将能够获得空间结构和气体运动的更多关键信息，比如超新星周围气体壳层的膨胀、黑洞吸积与周围气体环境的相互作用等。另外，卫星上还搭载了空间环境监测仪，用来实时监测卫星所处环境内带电粒子的方向和能谱，为科学观测提供本底水平的估计。另外，根据空间环境监测数据，还可以推算太空不同高度的高能粒子流量分布，保障在轨卫星运行的辐射安全，并为卫星的抗辐射设计提供参考。通过这些技术升级，使得“慧眼”从最初设想的单纯硬X射线成像仪发展为综合性的空间科学观测平台。


　　“慧眼”的科学系统包括高中低能三大探测器。三支研发队伍都分别遇到各自的严峻挑战，但他们凭着锲而不舍的进取精神、深厚的科学素养和敏锐的创新才智，大大小小的困难、障碍都被逐一彻底攻破。





　　高能团队：彻底放弃依靠进口的幻想


　　在核心载荷高能望远镜的研制过程中，横空跳出的一大拦路虎就是国际技术封锁。研制初期需要进口某一个型号的探测器，项目团队已经与外方签订了进口合同，但之后被该国有关部门叫停。面对困局，项目团队横下一条心。在压力下奋起，走上自主研发的道路。为了仪器的研制和组装，高能探测器团队主任设计师刘聪展在实验室和国内外许多原件厂商之间来回奔波。
　　经过无数次的尝试，刘聪展团队从未向失败低头，他们的头脑更加敏锐，能够不断调整方案，朝着成功逐步有序迈进。最终经过29轮试制，完成30多个样品，终于达到了技术指标要求。当样品通过实验的时候，不仅团队成员倍感欣慰，合作厂商也表示在整个研发过程中获益匪浅。刘聪展博士向公众媒体介绍说，“我们教会了他们一整套的设计方法，怎样通过计算有方向性地尝试，怎样提高荧光的收集效率，他们对此也感到十分满意”。


　　不仅如此，高能探测器具有的快速连续处理光子的能力甚至大大超过了国外同类设备。刘聪展对此解释说：“我们专门为此进行了特殊设计，来缩短‘死时间’。虽然我们的高能探测器是世界上面积最大的，但是它的‘死时间’比别的探测器要短得多，我们丢失的光子也会比别的探测器少得多，探测到的信号也更多更准确。这对帮助我们最终搞清楚X射线天体的辐射机制是非常有帮助的。”



　　中能团队：海选出一尘不染的探测器


　　曹学蕾博士2006年开始负责“慧眼”卫星中能望远镜的设计。在此之前，他已连续参与了“嫦娥1”号到“嫦娥3”号上的X射线谱仪的研制工作。中能团队自主试制的硅一PIN探测器已经在实验室取得了非常好的测试效果，测量X射线能谱的响应率和稳定性都达到国际先进水平。如果这些探测器都从国外订购，价格将是一个天文数字。自主研发的顺利进展让团队成员都信心满满。


　　然而，接下来探测器还要走出实验室的象牙塔，面临一系列严酷的航天筛选试验。整个过程中，最艰难的技术挑战是保证探测器芯片处于超净环境。任何一点微小的污染和杂质，都可能造成芯片内的暗电流飙升，轻则严重降低探测效率，重则导致探测器毁坏。


　　“慧眼”有效载荷总设计师卢方军研究员介绍说：“国外探测器都用对X射线吸收较弱的铍片密封，但是铍的蒸汽有剧毒，受相关法律法规限制，不能对探测器进行封装密封，在电装和测试过程中很容易造成污染。”为了制造出合格的封装探测器，唯一的办法就是制作超大量的样品，再从中筛选出合格的产品。据曹学蕾介绍，团队总共制作了18000枚裸芯片，从中筛选出4500多枚，最终制成了880个探测器，其中有400多个顺利安装在卫星上。


　　最终，中能团队拼尽全力用“海选战术”成功造出了“一尘不染”的探测器。回忆当时的困难情景，曹学蕾说自己“觉也睡不着，腿像灌了铅一样。但从来没想过要放弃，而是要用尽所有办法去解决难题”。




　　低能团队：用一根毛的刷子扫掉故障


　　2005年，负责低能望远镜设计的陈勇研究员去英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室学习，看到了准直器、SCD探测器和遮光膜等许多先进原件，这些都是X射线望远镜的重要部件，国内甚至都没有见过。“准直器可以限制X射线的入射方向，而遮光膜可以过滤可见光和紫外线，只让X射线透过。简直不敢想象，准直器可以做得那么精巧，遮光膜可以做得那么薄。”陈勇在惊奇的同时，也感慨忧心国内技术水平的显著差距。但是，巨大的落差没有让陈勇泄气，反而激发了他的斗志。陈勇带领团队通过不断琢磨和反复试验，研制出了厚度只有几百纳米的遮光膜以及和卢瑟福·阿普尔顿实验室同样精巧的准直器。


　　和其他两个团队一样，在实验室品尝到喜悦之后，进入了卫星安装测试，第二波困难的冲击又开始了。2012年，两套样机放到卫星上开始进行联调测试。“一下子冒出来很多问题。那段时间，每天都加班，夜里两三点才回家，可问题老也解决不了。”低能望遠镜副主任设计师崔苇苇回忆说。陈勇指出，这些问题主要来自软件方面：两套样机共64路探测器，程序上多一个空行段落，都会对整个系统的同步运行造成不可预见的影响，需要逐一排查修正。崔苇苇为每个版本的样机都做了详细的记录，笔记本记满了十几本。最后终于通过联调测试，渡过这一次危机。


　　2014年，低能望远镜团队又经历了一次“归零”。做真空试验的时候，有半个机箱的探测器出了问题。根据中国航天系统多年的惯例——“故障归零制度”，只要发现一点儿故障，不管大小，必须推倒一切从零开始。于是机箱的几百块电路板被拆开，开始挨个接受排查。陈勇研究员向媒体介绍：“经过来回分析，(我们)认为可能是某个探测器的两个电极之间落了点东西造成了短路。我们就把这个探测器取下来，用显微镜放大了200倍，果然看到有一个几十微米大小的东西。这个连肉眼都看不见的异物，该怎么清除呢?我们买了一支毛笔，剪得只剩下一根毛，用这支只剩一根毛的毛笔把它扫掉了。”


　　在这么多幕后英雄的努力下，“慧眼”使中国首次具有自主获取空间高能天体原始观测数据的能力。按照国际惯例，它获得的观测数据将为中国科学家优先使用。在中国科学家专项应用一年之后，这些数据将同时向全世界开放，以促进世界空间科学研究的发展。


　　感谢中科院兰州近代物理研究所和国家天文台的王培博士、高能物理研究所葛明玉博士帮助修改本文，并提供宝贵资深的专业指导意见。