“慧眼”是如何“活捉”黑洞、“生擒”中子星的

编者按：在中华民族伟大复兴的征程中，各行各业涌现出了许多矢志报国、实干创业的大师级榜样人物，他们是超级总师、两院院士、大国工匠、文化名家，是全国各领域的领军人物和行业翘楚。为激励广大青少年立下“强国一代中国梦”的鸿鹄志向，提升素养、开阔视野、勇担历史重任，他们化身“强国讲师”，向青少年讲述自己的成长经历和奋斗历程，分享自己的科学研究、经验及感悟，培养青少年的人文素养和科技思维。从本期开始，本刊隆重推出《大师讲堂》栏目。每期由一位奋斗在科技创新第一线的大师级专家，向青少年讲述“精彩一课”，帮助同学们积蓄精神力量，树立人生理想，坚守使命担当，把小我融入大我，一往无前地走向未来！

作者简介：屈进禄，“慧眼”卫星地面科学应用系统副总师、中国科学院高能物理研究所研究生导师，主要从事X射线双星的观测研究。在黑洞、中子星系统中的低频准周期震荡现象和吸积盘辐射机制等方面开展了多年的研究，主持、参加多项国家重点项目、面上项目和创新项目。

“慧眼”究竟是什么样的望远镜

从地球诞生的那一刻起，宇宙就以星空的姿态投映在了夜幕上，人们通过观测星空来认知宇宙，从最初的裸眼观星，到使用折射望远镜和反射望远镜，再到运用射电望远镜和太空望远镜观星。在我国就有一部叫作“慧眼”的望远镜，它不在地面，而是遨游于太空之中，它慧眼如炬，谈笑间“活捉”黑洞、“生擒”中子星。“慧眼”究竟是什么样的望远镜，它可以看到哪些奇幻景象呢？让我们一起来了解神奇的“慧眼”吧！

“慧眼”是我国第一颗X射线天文望远镜卫星，它装载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器四个探测有效载荷，总质量约为2500千克，处在550千米高的近地圆轨道上，像是架在天上的望远镜。

"慧眼"和其他天文望远镜有什么区别

“慧眼”和我们地面上的天文望远镜所要完成的科学目标是一样的：收集天体所发出的光，也就是电磁辐射。通过电磁辐射可以了解一个天体的构成、运动规律等信息。但是，其中X光不能穿过地球大气层，因此我们不得不把探测X光的望远镜放到大气层外，也就是说把它架在太空。这就是“慧眼”与地面天文望远镜的一个区别。

说到X光，大家一定不陌生，比如医院的X光片，火车站及地铁站的安检设施，都运用了X光。X光具有很高的穿透本领，能帮助我们看清物质的内在结构，“慧眼”就是通过探测X射线来研究黑洞、中子星、脉冲星等高能天体的物质构成及运动规律的。

在太空中除“慧眼”之外，还有很多颗天文望远镜卫星，比较著名的有美国哈勃空间望远镜、钱德拉X射线太空望远镜以及欧洲的牛顿X射线望远镜等。与它们相比，我们的“慧眼”有哪些不同呢？

哈勃空间望远镜是一个光学望远镜，能够看到天体外部辐射的结构，而X射线望远镜可以更加细致、更加全面地了解天体临近或者内部的情况。通过X射线望远镜，我们能够看到蟹状星云内部的结构，比如说中心天体及它周围的一些吸积盘、喷流等，并形成图像。现在天空中运行着很多X射线望远镜，“彗眼”望远镜的面积有5000平方厘米，相对于牛顿X射线望远镜和钱德拉X射线太空望远镜要大很多。因此，“彗眼”能够收集到更多的X 射线光，意味着能够提供更多的信息。另外一个不同在于，“彗眼”望远镜的建设过程中，采用了一种快电子学的手段。因此，我们可以研究X射线光与X射线源，即天体辐射出的光的变化，来了解这个天体的其他变化。

"慧眼"为深空探测和星际旅行做出的贡献

船只在海上行驶，灯塔为我们指引方向，如果我们在宇宙中迷路了，该怎么办呢？脉冲星，有“外太空的灯塔”之称，“慧眼”卫星开展了 X射线脉冲星导航实验，定位精度达到10千米以内，未来我们的深空探测和星际旅行或许就不用担心迷路了。

在引力波被发现后，我们对引力波源进行了观测，最终了解到，如果它存在电磁辐射，那么它的辐射会有一个上限，也就意味着有辐射就不会超过一个值。这一个值，对于我们将来的观测有指导意义。这个发现，就是“慧眼”对于观测引力波的贡献。

对于黑洞的观测，是“慧眼”卫星主要的科学目标。第一张黑洞照片的发布，一方面验证了我们原先对黑洞的理解是正确的;另一方面，为我们对数据进行分析，解释观测现象，提供了一個比较直观的图像。这使得我们可以更好、更加深入、更加直观地研究黑洞。

从 2017年6月15日"慧眼" 卫星发射成功，到现在已经过去4年多了。在这几年的时间里，我们对黑洞、中子星、脉冲星进行了大量的观测，而且发现了几十个γ（伽马）暴。通过分析这些数据，我们取得了很多的成果，比如对于冕的研究。太阳的外表有一层物质叫作日冕，实际上就是电子气，这种物质会辐射出X光。我们对中子星的冕进行了观测研究，观测中子星的冕的变化，及其附近的物质分布结构。观测结果是第一次得到了关于中子星附近物质运动形态的一个非常好的描述。

"慧眼"的继位者将带来哪些惊喜

如今，越来越多的中国天文卫星发射升空，可以完成不同的科学目标，如“悟空”号暗物质粒子探测卫星、“墨子”号量子科学实验卫星，以及不久前发射的我国首颗太阳探测科学技术实验卫星“羲和号”，还有计划于2022年底发射升空的“爱因斯坦”探针卫星等。“慧眼”的设计寿命是4年，因此不久之后，“慧眼”的继位者——增强型X射线空间天文台也将飞入天际。它将为我们带来哪些惊喜呢？

增强型X射线望远镜和“慧眼”望远镜相比，做了很大的改进。第一，这是个成像型望远镜;第二，它的面积增大了很多，达到了平方米的量级;第三，它的能量分辨率将增加很多，所谓能量分辨率，就是说可以看到更精细的光线;第四，它增加了一个功能，测量X光的另外一种特性偏振。这样的话，我们可以收集更好的数据和更多的电磁辐射，因此我们也可以更加深入地研究黑洞、中子星，了解它们的结构和相互作用。由于它的这些特性的增强，我们能够看到黑洞的吞噬事件。因为它让我们能够看到更弱的源，这意味着我们就可以看到一个天体掉入黑洞的过程。例如，天体撕裂事件。

我们把于2018年3月由中国科学院启动的中国新一代空间科学卫星，叫作增强型X射线时变与偏振空间天文台（英文简称“eXTP”）。eXTP项目是由中国发起并领导的，主要包括意大利、德国、瑞士、西班牙、法国、丹麦、捷克、波兰、荷兰等20多个空间天文发达国家与地区的100多个研究院（所）共同参与，可能是有史以来中国发起并领导的、由最多发达国家与地区作出实质性贡献的大型国际合作科学研究项目，计划于2025年左右发射升空。

人类发射的天文望远镜如群星璀璨，是人类安置在太空的千里眼，而所有这些千里眼探测到的科学成果，只构成我们了解宇宙的一块拼图。浩瀚宇宙充满着无穷的奥秘，等你来揭示！

（编辑文墨

实习编辑陈哲怡）