年6月，“慧眼号”硬X射线调制望远镜发射升空，来到了高度千米，倾角43°的近地圆轨道。经半年多的校验与测试，年1月，“慧眼号”正式交付使用，成为我国科学家放眼星空、探索宇宙的利器，也成为世界上测量频谱范围最广，分辨本领最强的X射线调制望远镜。那么，什么是硬X射线？这只“慧眼”是如何洞察宇宙的？让我们一起来了解下吧~X射线也分“软”“硬”？X射线我们都不陌生，地铁安检仪，医院CT仪都离不开它。这种射线和生活中无处不在的可见光、无线电波、红外线、紫外线一样，属于电磁波的一种。不同的是，X射线能量非常高，比紫外线还高，仅次于γ射线，具有很强的穿透性。电磁波谱根据能量的高低，X射线内部也可以细分为更多种类，如低能X射线、中能X射线、高能X射线，其中高能X射线因其能量极高，穿透力极强，常被人们称为硬X射线。宇宙中的天体会发出各种能量的电磁波，既有能量很低的射频无线电波，又有人眼能看到的可见光，还有能量更高的X射线、γ射线。为了全方位地看清宇宙的面貌，观察不同天体的行为，人们建造了各种各样的探测器，以分别探测不同的电磁波。如中国天眼FAST就是专门探测射电电磁波的望远镜，而今天我们要介绍的“慧眼号”则是专门用来探测X射线的。用不同能量电磁波观测超新星爆炸你们知道吗？当中子星旋转“起舞”，黑洞把其他天体“吸入”体内，巨大恒星坍缩爆炸时，往往会伴随着大量硬X射线的产生。如果科学家能够“看到”这些硬X射线，并通过分析还原这些天文事件发生时的场景，就能进一步了解这些致密天体的运行与演变规律，探究其中的物理原理，揭示浩瀚的星空中暗藏的秘密。慧眼号正是一台专门探测X射线的望远镜，借助它，物理学家就可以“看到”X射线，并用它成像，找到远在几万光年外的黑洞，并研究它的性质。慧眼号慧眼号是怎么“看到”X射线的？我们常说的“看到”，用严谨的物理语言来讲叫做成像。对于一般的可见光，我们可以用折射和反射的方法精准地控制光线传播的路径，使收集到的光聚焦，呈现出清晰的图像，这便是我们在用相机拍摄前“对焦”的过程。如果对焦失败，则会导致成像不清晰，甚至根本无法成像，就好像高度近视一般。然而，硬X射线可没有可见光那么“听话”，让硬X射线乖乖地反射是一件非常难的事。年，美国发射的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)利用掠射的方法，实现了最高能量为79keV硬×射线的聚焦成像。核光谱望远镜阵列(NuSTAR)但这种望远镜工艺复杂、造价极高、生产条件苛刻，需要消耗大量科研资源与经费。那么有没有一种既“省钱”，又实用的方法来给X射线成像呢？中科院高能物理研究所李惕碚院士和吴枚研究员开创性地提出了直接解调的方法，并将其应用在了“慧眼号”硬X射线调制望远镜。通俗来讲，这种方法不需要聚焦X射线，而是直接收集X射线，通过对接收到数据进行计算和分析，反演出遥远天体的真实图像。就好比用一台没有对焦的相机拍一张模糊的照片，再通过严密的算法，用计算机还原出真实、清晰的图像。这种方法不需要对X射线聚焦，自然不需要复杂精密的光学系统，只需结构更简单的非聚焦准直型望远镜即可，大大降低了研制费用。大家可不要觉得“便宜”就意味着性能不好，直接调制的方法不仅能探测更高能量的X射线，而且分辨率更高，受外界干扰产生的噪声信号更小，是一种物美价廉的探测手段。应用了直接探测法的慧眼号最高可探测到keV的X射线，并通过计算使其成像，达到了世界最领先水平。研发期间工作人员对慧眼号进行调试慧眼号的构造那么慧眼号具体是怎么把如此高能量的X射线接收到的呢？这就要看看它的内部结构了。除了卫星平台和相关的电力、通讯系统外，慧眼号最核心的部分是三台望远镜，分别为高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜。其中，高能X射线望远镜专门用来收集能量在20到keV的硬X射线。它由18个单体探测器组成，就好像蜻蜓的复眼，由许许多多小眼睛组成，每个小眼睛都会收集一些光信号，这些光信号经过汇总和计算处理，最终整合出一张完整的图像。高能X射线望远镜（HE）每个单体包括准直器与屏蔽环、NaI/CsI复合晶体、光电倍增管三部分。当硬X射线向探测器冲过来时，一部分角度过大的射线被准直器和屏蔽环阻挡，只有入射方向和准直器方向相差不大的硬X射线能射入探测器内部。射入内部的硬X射线首先打到NaI晶体，并与晶体相互作用发出能量较低的闪烁光，闪烁光向内传播，被光电倍增管接收。主探测器单体结构光电倍增管把接收到的光信号转变为电信号，同时把电信号放大。增强的电信号会被临时存储并处理，并通过卫星平台上的通讯系统传递给地面的计算机进行存储与分析。地面的科学家通过直接解调的方法就可以将卫星传来的数据转变为清晰、具体的图像，一张硬X射线“照片”就这样被拍了下来。宇宙中充斥着各种射线，有些射线会产生噪声信号，对拍照效果造成影响。另外，当我们观测某个方向的星空时，难免会有从其他方向传来的γ射线，这也会形成噪声信号。为了避免以上情况，科学家们用钽制成准直器和屏蔽环，阻挡了大部分可能造成干扰的射线。即便如此，也难免有漏网之鱼，尤其是穿透力更强的γ射线。于是人们在NaI后方放了一层CsI晶体。当漏网的γ射线从后方射入时，会先被CsI阻挡，形成闪光，被光电倍增管收集，而不会与NaI发生作用。可能有小伙伴会问，CsI和NaI都会形成闪光，怎么能分辨这个闪光是噪声的还是正常的硬X射线信号呢？虽然二者都会发出闪光，但它们的衰减时间不同，NaI的闪光转瞬即逝，CsI的闪光消失得相对较慢，地面科学家可以利用这一差异将噪声信号排除掉，获得更清晰的图像。可不要以为CsI产生的闪光一点用都没有。由于准直器的存在，望远镜只能注视某一个特定方向，要想看较大范围的星空，就要慢慢改变注视的方向，如扫描一般地，一行行看清其他方向的场景。扫描模式下工作的慧眼号那么如果在其他方向发生了一场γ射线暴，而慧眼号恰好注视着别的方向该怎么办呢？由于CsI可以拦截其他方向入射的γ射线，因此CsI晶体除了能排除干扰，还能作为一台全天监视器，探测可能发生γ射线暴，既做到了“聚精会神”，又“眼观六路”。此外，卫星上还搭载了空间环境检测器，专门用来检测达到卫星上各种带电粒子的方向、通量、能量高低。利用这些数据，科学家可以排除掉这些粒子带来的干扰。为了更全面地观测天体，慧眼号还搭载了中能X射线望远镜和低能X射线望远镜，可以看到1keV到keV不同能量范围的X射线，让科学家一次获得更多信息。目前，慧眼号卫星正在千米的高空中稳定地运行，一次次为我们传来宝贵的数据。截止到年10月底，慧眼号科研团队已发布十余篇论文，有五项重要的成果获得了国际认可。这些成果中，有些发现了以前从未看到过的新现象，有些挑战或验证了现有理论模型，还有些为人类理解黑洞和中子星系统提供了新的线索。