“慧眼”望远镜

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。