慧眼尋“它”千百度
——記“慧眼”探索極端宇宙5 周年

李小波（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所）

1 “慧眼”的誕生

“慧眼”硬X 射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）是我國(guó)第一顆X 射線天文衛(wèi)星，它既可以開展寬波段、大視場(chǎng)X 射線巡天，又能夠定點(diǎn)觀測(cè)黑洞、中子星等高能天體的短時(shí)標(biāo)光變和能譜，同時(shí)具備對(duì)γ 射線暴全天監(jiān)視的能力。那么，這樣一雙觀天“慧眼”是如何煉成的呢？

HXMT 從概念提出到研制成功前后歷時(shí)24 年，其設(shè)計(jì)思想源于我國(guó)學(xué)者李惕碚院士和吳枚研究員原創(chuàng)性的“調(diào)制解調(diào)成像方法”。在幾代人的接續(xù)努力下，HXMT 衛(wèi)星于2017 年6 月15 日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。將其命名為“慧眼”，不僅體現(xiàn)“慧眼”觀測(cè)運(yùn)行的特點(diǎn)，也是為了紀(jì)念為我國(guó)高能天體物理發(fā)展作出杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家何澤慧先生?！盎垩邸钡某晒Πl(fā)射和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)空間X 射線天文衛(wèi)星“零”的突破，結(jié)束了我國(guó)高能天文研究長(zhǎng)期依賴國(guó)外數(shù)據(jù)的歷史。

1962 年6 月18 日，天文學(xué)家賈科尼等用攜帶蓋革計(jì)數(shù)器的探空火箭在天蝎座方向發(fā)現(xiàn)了X 射線輻射，這是人類第一次探測(cè)到源于太陽(yáng)系外天體的X射線，標(biāo)志著X 射線天文學(xué)的誕生。自20 世紀(jì)70年代末利用高空氣球觀測(cè)硬X 射線開始，我國(guó)的X射線天文學(xué)經(jīng)一系列任務(wù)的磨練，也迎來(lái)了大發(fā)展時(shí)期。值此X 射線天文學(xué)60 周年之際，更是“慧眼”遨游太空5 周年之時(shí)，我們將重點(diǎn)介紹“慧眼”是如何開啟對(duì)極端天體和極端物理過(guò)程的探索，以及所取得的重要科學(xué)成果。

2 “慧眼”眼觀三路的能力

在介紹“慧眼”的科學(xué)成果之前，我們先簡(jiǎn)要了解使“慧眼”具備“眼觀三路，耳聽八方”能力的載荷和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)。

“慧眼”的科學(xué)目標(biāo)可概括為以下3 個(gè)方面：一是對(duì)銀道面進(jìn)行小天區(qū)掃描，發(fā)現(xiàn)新的高能變?cè)春鸵阎祗w的新活動(dòng)；二是對(duì)黑洞和中子星進(jìn)行高頻次和高統(tǒng)計(jì)量監(jiān)測(cè)，理解黑洞和中子星的活動(dòng)和演化機(jī)制；三是利用其擴(kuò)展到MeV 能段的探測(cè)能力，研究γ 射線暴及其他爆發(fā)現(xiàn)象。

“慧眼”上搭載了3 個(gè)主要科學(xué)載荷：高能X射線望遠(yuǎn)鏡（HE，20～250keV，5100cm）,中能X 射線望遠(yuǎn)鏡（ME，8～35keV，952cm）和低能X 射線望遠(yuǎn)鏡（LE，1～10keV，384cm）。這樣的探測(cè)器配置使“慧眼”具有寬的X 射線探測(cè)能區(qū)、硬X 射線能區(qū)的大面積、高時(shí)間和高能量分辨率、探測(cè)死時(shí)間小、在軟X 射線能區(qū)無(wú)光子堆積效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。這使得“慧眼”具有獨(dú)特的研究天體多能段X射線快速光變的能力，可以探索比以往更靠近黑洞視界或中子星表面的區(qū)域，開啟了研究黑洞、中子星快速光變和能譜特性的新窗口。

“慧眼”是一個(gè)面向國(guó)際天文界的開放觀測(cè)平臺(tái)，它的日常運(yùn)行和管理由“慧眼”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)。科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)全面支持了“慧眼”的多目標(biāo)、多模式、多約束的觀測(cè)需求，提供了觀測(cè)任務(wù)的高效規(guī)劃、科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)及發(fā)布、有效載荷的標(biāo)定、空間本底模型的構(gòu)建、用戶數(shù)據(jù)分析專用軟件的維護(hù)更新等服務(wù)，是科學(xué)產(chǎn)出的有力保障。目前已面向國(guó)內(nèi)外科學(xué)用戶公開征集5 輪觀測(cè)提案，累積收到約240 份提案申請(qǐng)，發(fā)布約25TB 的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為國(guó)外12 家研究機(jī)構(gòu)，國(guó)內(nèi)30 多個(gè)高校和研究所的500 多位研究人員提供了觀測(cè)和數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外用戶使用的多種分析工具的兼容性檢驗(yàn)以及與其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理結(jié)果的交叉比對(duì)，驗(yàn)證了“慧眼”數(shù)據(jù)產(chǎn)品和用戶數(shù)據(jù)分析軟件的可靠性和正確性?；谶@些數(shù)據(jù)和軟件，研究人員取得了多項(xiàng)原創(chuàng)和有顯示度的成果：參與監(jiān)測(cè)了首個(gè)雙中子星并合引力波事件（GW170817）的電磁對(duì)應(yīng)體，對(duì)該引力波事件在MeV 能段的輻射給出了最嚴(yán)格的限制；直接探測(cè)到宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)；發(fā)現(xiàn)了黑洞雙星系統(tǒng)的最高能量的準(zhǔn)周期振蕩；首次證認(rèn)快速射電暴的磁陀星來(lái)源；完成了世界上最高精度的脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)。

3 五年觀天路，碩果累累

“慧眼”對(duì)極端宇宙的探索，主要體現(xiàn)在對(duì)極端爆發(fā)的監(jiān)測(cè)和探測(cè)，對(duì)黑洞視界附近最強(qiáng)引力場(chǎng)的探測(cè)和對(duì)中子星表面最強(qiáng)磁場(chǎng)的探測(cè)。下面將對(duì)這些代表性的科學(xué)成果進(jìn)行一一介紹。

中國(guó)X 射線天文發(fā)展大事記

極端爆發(fā)——追逐宇宙中最燦爛的煙花

引力波的直接探測(cè)獲得了2017 年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。探測(cè)引力波電磁對(duì)應(yīng)體對(duì)研究引力波事件、宇宙學(xué)以及基礎(chǔ)物理具有不可替代的作用。2017 年8月17 日，“慧眼”成功監(jiān)測(cè)到全球第一例雙中子星并合事件GW170817 所在天區(qū)。在這次天文學(xué)歷史上極為罕見的全球規(guī)模的聯(lián)合觀測(cè)中，HXMT 衛(wèi)星是全球4 個(gè)在X 射線和γ 射線波段完整監(jiān)測(cè)引力波以及γ 暴的望遠(yuǎn)鏡之一，在200keV～5MeV 能段對(duì)該引力波電磁對(duì)應(yīng)體的流量給出了最強(qiáng)限制。“慧眼”第一時(shí)間通過(guò)γ 暴協(xié)調(diào)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GCN）發(fā)布了觀測(cè)結(jié)果。由于對(duì)引力波事件在MeV 能段的輻射給出了最嚴(yán)格的限制，排除了引力波的一些模型，使得“慧眼”團(tuán)隊(duì)的工作獲得國(guó)際認(rèn)可，該結(jié)果也被納入了國(guó)際多波段、多信使研究引力波的文章。本次探測(cè)到引力波以及電磁對(duì)應(yīng)體是天文學(xué)家期待已久的重大發(fā)現(xiàn)，在天文學(xué)以及物理學(xué)發(fā)展史上具有劃時(shí)代的意義，正式開啟了多信使引力波天文學(xué)時(shí)代。

“快速射電暴”（FRB）是一種持續(xù)時(shí)間在毫秒量級(jí)的宇宙射電暴發(fā)現(xiàn)象。這種來(lái)自深空的神秘、強(qiáng)大、快速的信號(hào)長(zhǎng)期困擾著世界各地的天文學(xué)家。雖然科學(xué)家猜測(cè)這類現(xiàn)象的多種可能性，但因?yàn)檫@些暴發(fā)非常短暫，很難確定這些事件的性質(zhì)，甚至有人猜測(cè)是外星人發(fā)出的信號(hào)。2020 年4 月28 日，“慧眼”探測(cè)到一個(gè)X 射線暴發(fā)，與快速射電暴FRB200428 在時(shí)間上精準(zhǔn)一致，這是第一次探測(cè)到快速射電暴的高能對(duì)應(yīng)體，利用其獨(dú)特的準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)，“慧眼”以遠(yuǎn)高于射電望遠(yuǎn)鏡的精度將其定位到銀河系內(nèi)的磁陀星SGR J1935+2154，從而首次證認(rèn)了快速射電暴的磁陀星起源，為快速射電暴的輻射機(jī)制和磁陀星的暴發(fā)機(jī)制研究提供了至關(guān)重要的線索。對(duì)“慧眼”數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，該X 射線暴的主暴部分存在一個(gè)顯著性為3.4σ，中心頻率為40Hz 的準(zhǔn)周期振蕩信號(hào)，有效限制了中子星模型。

極端引力——與黑洞共舞

2018 年3 月，距地球大約1.13 萬(wàn)光年處的黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 發(fā)生爆發(fā)，而且在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里是天空中超亮的X 射線源之一，“慧眼”隨即對(duì)這個(gè)天體的爆發(fā)進(jìn)行了140 多次的觀測(cè)。在高于200keV 以上的能段發(fā)現(xiàn)這個(gè)黑洞雙星系統(tǒng)中的準(zhǔn)周期振蕩（QPO），這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的能量最高的低頻QPO 現(xiàn)象。

“慧眼”將FRB200428 定位（白色等高線代表“慧眼”定位的1σ，2σ，3σ 區(qū)域）到磁陀星SGR J1935+2154 方向（紅色十字架），紅圈和藍(lán)點(diǎn)代表國(guó)外的兩個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的定位區(qū)域（95%的置信區(qū)間）

低頻QPO 發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)80 年代，它在黑洞雙星中普遍存在。關(guān)于它的物理起源一直存在爭(zhēng)議，有些科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)伴星的物質(zhì)被黑洞吸引，在旋轉(zhuǎn)落向黑洞的過(guò)程中會(huì)形成吸積盤，而在這個(gè)過(guò)程中，吸積盤上可能會(huì)出現(xiàn)一些不穩(wěn)定性，引起X 射線輻射發(fā)生類似周期性的調(diào)制，產(chǎn)生低頻QPO。另一些科學(xué)家則認(rèn)為黑洞附近的等離子體進(jìn)動(dòng)也可產(chǎn)生類似的周期調(diào)制?！盎垩邸庇^測(cè)到的QPO 高達(dá)200keV，將QPO 產(chǎn)生的源頭直接定位到黑洞視界附近的相對(duì)論噴流（向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流）的進(jìn)動(dòng)?！盎垩邸钡挠^測(cè)結(jié)果為解決一直以來(lái)存在爭(zhēng)議的低頻QPO 物理起源問(wèn)題提供了重要依據(jù)，這也是迄今觀測(cè)到的距離黑洞最近的相對(duì)論噴流。

“ 慧眼” 獲得的黑洞X 射線雙星MAXI J1820+070 的能譜數(shù)據(jù)還表明，該系統(tǒng)中還存在逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，等離子體流存在顯著的速度演化，當(dāng)?shù)入x子體流趨向黑洞收縮的同時(shí)，也以相對(duì)論速度向外運(yùn)動(dòng)，而且等離子體流的尺度越小，速度越大。這項(xiàng)成果為研究黑洞吸積過(guò)程提供了重要依據(jù)。

MAXI J1820+070 小尺度的噴流進(jìn)動(dòng)模型示意圖

極端磁場(chǎng)——16 億特斯拉

中子星是宇宙中具有最強(qiáng)磁場(chǎng)的天體。中子星X 射線雙星系統(tǒng)由中子星與其伴隨恒星組成，伴隨恒星的氣體在引力作用下落向中子星，形成圍繞中子星高速轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體盤，稱為吸積盤。如果磁場(chǎng)較強(qiáng)，吸積盤上的等離子體將沿著磁力線落到中子星表面，并發(fā)出強(qiáng)烈的X 射線輻射。由于中子星的轉(zhuǎn)動(dòng)，X射線發(fā)射區(qū)隨之旋轉(zhuǎn)，形成周期性的X 射線脈沖信號(hào)，因此這類天體也被稱為“X 射線吸積脈沖星”。大量觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這一類天體在X 射線輻射能譜上會(huì)出現(xiàn)“凹陷”結(jié)構(gòu)，理論認(rèn)為這是電子在磁場(chǎng)中回旋共振散射造成的，因此被稱為回旋吸收線，吸收線處的能量對(duì)應(yīng)著磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用該現(xiàn)象可以直接測(cè)量中子星表面附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

MAXI J1820+070 爆發(fā)期間噴流內(nèi)部的物質(zhì)外流加速的現(xiàn)象

2017 年8 月，“慧眼”對(duì)X 射線吸積脈沖星GRO J1008－ 57 的一次爆發(fā)活動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)觀測(cè)，首次在X 射線能譜中以高于20σ 的顯著性，在90keV 附近發(fā)現(xiàn)了一條回旋吸收線。該回旋吸收線對(duì)應(yīng)的中子星表面磁場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)10 億特斯拉，比實(shí)驗(yàn)室中能夠產(chǎn)生的幾十特斯拉的最強(qiáng)磁場(chǎng)高了幾千萬(wàn)倍。這是“慧眼”首次高精度直接測(cè)量到宇宙中的最強(qiáng)磁場(chǎng)。

2020 年12 月，“慧眼”刷新中子星回旋吸收線能量的世界紀(jì)錄，在1A 0535+262 雙星系統(tǒng)中，以超過(guò)10σ 顯著性在100keV 處發(fā)現(xiàn)第一諧頻回旋吸收線。

2022 年6 月，“慧眼”再次刷新回旋吸收線能量以及宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)直接測(cè)量紀(jì)錄?！盎垩邸币?～18σ 顯著性在146keV 附近探測(cè)到脈沖星Swift J0243.6+6124 的基頻回旋吸收線，創(chuàng)出新的最高能量世界紀(jì)錄，對(duì)應(yīng)中子星表面16 億特斯拉磁場(chǎng)。

脈沖星導(dǎo)航——星際旅行不再迷航

X 射線脈沖星導(dǎo)航是一種新型的自主導(dǎo)航方法，它利用宇宙中遙遠(yuǎn)的天體——脈沖星發(fā)出的精確的周期性脈沖信號(hào)為太空中的航天器提供導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。脈沖星是一類高速轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星，其脈沖信號(hào)的長(zhǎng)期時(shí)間穩(wěn)定度很高，堪比甚至優(yōu)于地球上的原子鐘，可作為宇宙中的時(shí)間基準(zhǔn)，因此脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中的“天然GPS 衛(wèi)星”。如同地面使用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航一樣，航天器通過(guò)觀測(cè)脈沖星，也可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，即脈沖星導(dǎo)航。

利用“慧眼”的X 射線望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)成功開展了X 射線脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)；綜合利用“慧眼”上的高、中、低能X 射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)蟹狀星云脈沖星持續(xù)5 天的定點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，定位精度可達(dá)到10km（3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），與“國(guó)際空間站”（ISS）上美國(guó)同類實(shí)驗(yàn)精度相當(dāng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了航天器利用脈沖星自主導(dǎo)航的可行性，為未來(lái)在深空的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

Swift J0243.6+6124 在146keV 處發(fā)現(xiàn)“凹陷”結(jié)構(gòu)（對(duì)應(yīng)中子星表面16 億特斯拉的磁場(chǎng)）

基于“慧眼”數(shù)據(jù)取得的原創(chuàng)科學(xué)成果，得到了黨和國(guó)家的高度肯定。習(xí)近平主席在2018 年的新年賀詞中將“慧眼衛(wèi)星遨游太空”列為了2017 年我國(guó)標(biāo)志性科技創(chuàng)新成果的第一條。在2021 年“科技三會(huì)”上，習(xí)近平總書記將“慧眼號(hào)直接測(cè)量到迄今宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)”列為“基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新取得重要進(jìn)展”之一。

4 任重而道遠(yuǎn)

1970 年,美國(guó)發(fā)射了第一顆X 射線天文衛(wèi)星，時(shí)隔近50 年后，我國(guó)發(fā)射了第一顆空間X 射線天文望遠(yuǎn)鏡，和國(guó)外已有近百顆天文衛(wèi)星相比，我們?cè)谠擃I(lǐng)域起步較晚，但“慧眼”仍憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，開啟了黑洞和中子星研究的新窗口。

宇宙的各種極端爆發(fā)現(xiàn)象，黑洞和中子星等高能天體的行為和性質(zhì)，是非常吸引人的自然奧秘，它們同時(shí)又提供了地球上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端物理環(huán)境，為基本物理規(guī)律的檢驗(yàn)和發(fā)展創(chuàng)造了條件。因此，對(duì)極端宇宙的探索是天文學(xué)和物理學(xué)共同的前沿問(wèn)題。美國(guó)21 世紀(jì)20 年代天文10 年規(guī)劃繼續(xù)把X 射線天文作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一，推薦盡快補(bǔ)上近期可能會(huì)停止運(yùn)行的空間X 射線天文衛(wèi)星，表明這一領(lǐng)域是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

在“慧眼”成功研制和運(yùn)行的基礎(chǔ)上，我們也將踏上新的征途，打造以探索極端磁場(chǎng)、極端引力、極端密度為核心科學(xué)目標(biāo)的增強(qiáng)型X 射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（eXTP）。作為“慧眼”的繼任者，eXTP 將利用宇宙極端條件的天然實(shí)驗(yàn)室，以前所未有的精度對(duì)重要的基礎(chǔ)物理理論進(jìn)行檢驗(yàn)，并可能帶來(lái)對(duì)現(xiàn)有理論框架的突破，為回答“黑洞附近會(huì)發(fā)生什么，中子星內(nèi)部是什么結(jié)構(gòu)以及由什么物質(zhì)組成，強(qiáng)磁場(chǎng)中的真空漲落具有什么性質(zhì)”等重大科學(xué)問(wèn)題作出突破性貢獻(xiàn)。