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为我国首颗X射线 天文卫星擦亮“慧眼”澳门新濠

2019-09-25 19:03

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硬X射线探测器地面标定装置HXCF 受访者供图

由一颗普通恒星和一个黑洞或中子星组成的双星系统吸积过程示意图。

6月15日,我国首颗硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”成功搭载长征四号乙火箭发射升空。“慧眼”将实现1—250千电子伏特能区的X射线巡天,用于研究黑洞、脉冲星及伽马射线暴,发现新天体或已知天体的新活动。

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“慧眼”携带了高能、中能和低能三种望远镜,实现X射线探测全覆盖。其中高能望远镜的设计能区为20-250千电子伏特,其主要载荷为18个复合晶体探测器,这些探测器也正是“慧眼”的眼睛。探测器的能量分辨率、探测效率、均匀性等关键性能参数需要在发射前在地面进行标定给出,否则入轨后将无法准确实现由观测数据到真实天文对象的反演。

HXMT卫星有效载荷示意图。

给探测器“标刻度”

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“没有经过标定的探测器,就像是没有刻度线的尺子,当接收到X射线时,无法准确确定入射X射线光子的能量及数量。而开展地面标定实验,相当于给探测器刻上了精密的刻线,让它能精准地测出入射光子的信息,给相关天体物理科学研究提供准确、有价值的观测数据。”“慧眼”高能望远镜主任设计师、中科院高能所刘聪展向科技日报记者解释道。

HXMT卫星示意图。

澳门新濠影汇,2011年,承担“慧眼”有效载荷研制工作的中科院高能所找到了中国计量院电离所,希望开展合作研究,解决X射线天文卫星探测器标定技术难题。经过近3年的努力,双方从无到有,联合建立了国内首套硬X射线探测器地面标定装置HXCF。

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指标优于国外

6月15日11时00分,中国酒泉卫星发射中心,硬X射线调制望远镜卫星(下称“HXMT卫星”)搭乘长征四号乙型运载火箭奔向太空。这颗名为“慧眼”的天文卫星,将承载着我国科学家们的观天之梦,驻足浩瀚宇宙,穿过层层遮挡,看遍星辰大海……

“该装置提供的单能X射线能量范围达15—180千电子伏特,上限180千电子伏特为国际同类装置的最高水平,并首次解决了X射线注量测量与量值溯源的难题。”中国计量院研究员吴金杰介绍道。所谓X射线注量测量,是指测量出单位时间内单位面积上有多少光子通过。通过将测出的X射线注量和卫星探测器探测到的计数进行比对,就能了解探测器的探测效率。

慧眼望向何方

据介绍,2015年,中国计量院和中科院高能所研制的硬X射线探测器地面标定装置HXCF与意大利费拉拉大学的标定装置LARIX进行了国际比对,HXCF无论在能量范围、注量测量以及光源稳定性等指标上都优于意方的LARIX。费拉拉大学为国际知名天文学研究机构,在空间X射线探测仪器研制、地面标定及相关科学研究方面都具有丰富的经验,具有除我国之外全世界能量最高的硬X射线探测器专用标定装置LARIX。

作为我国首颗空间X射线天文卫星,HXMT卫星其实具有三双“慧眼”——其主要有效载荷包括高能X射线望远镜、中能X射线望远镜、低能X射线望远镜和空间环境监测器,能够实现1—250keV能段全覆盖探测,并具有大天区和大有效面积巡天能力和高精度定点观测能力。

在硬X射线探测器地面标定装置研制成功的基础上,中科院高能所和中国计量院研究团队合作完成了对“硬X射线调制望远镜”卫星18个装星用的复合晶体探测器和6个备用探测器的能量线性、能量分辨率、探测效率和均匀性等关键参数的地面标定实验,共计1200机时。

“‘慧眼’卫星的成功发射,填补了我国空间X射线天文卫星领域的空白,实现了我国天文观测由地面观测到天地联合观测的跨越,是我国天文学发展史上一件具有里程碑意义的大事。”国防科工局系统工程司副司长赵坚表示。

监测“慧眼”长期在轨状态

“通过对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是该卫星主要的科学目标之一。”硬X射线调制望远镜卫星系统载荷分系统专家宋黎明介绍说,黑洞是一种光都不能从其视界中逃脱出来的致密天体,因此无法对其进行直接观测。然而,由于黑洞引力非常强,会将气体等一些物质聚拢到其周围形成一个具有X射线辐射的吸积盘,在靠近中子星表面的区域,也同样存在以X射线辐射为主的高温、高压、强磁场等条件。通过观测X射线辐射的特征,便可了解这些极端天体的性质以及其中的物理过程。

“慧眼”设计寿命4年,入轨后,将在空间环境下长期运行,探测器的表现会和在地面上时一样吗?为了监测“慧眼”长期在轨运行状态,中国计量院和中科院高能所基于放射性活度计量技术,为“慧眼”研制了18枚活度在豁免水平的在轨标定源,保障卫星在轨运行期间的性能稳定。

硬X射线调制望远镜卫星还将对银道面、银心和核球进行高灵敏度的宽波段X射线巡天监测,有望在国际上首次系统性地获得银河系内高能天体活动的动态图景,并发现大量新的天体。

“一方面,空间环境毕竟和地面环境不一样,另外随着探测器的长期工作,可能会出现老化现象,这些因素都可能导致探测器性能指标的漂移。因此,我们和高能所合作研制了在轨标定放射源,随时都可以对探测器的性能指标进行监测,并以此为依据及时对相关参数进行调整,确保探测器在轨运行期间性能指标的稳定性。”标定源研制负责人、中国计量院梁珺成介绍道。

“宇宙中的天体每时每刻都在运动,忽高忽低,而银道面上这类天体更加集中,对该区域进行扫描观测,发现新的爆发源几率较大,科学意义十分深远。”宋黎明说,HXMT卫星每次的小天区扫描观测区域为20°×20°,按照一定的间隔和速度对这个天区进行扫描观测,再通过对观测数据的成像计算得到天体源的位置和强度。

在吴金杰看来,硬X射线探测器地面标定装置项目的完美收官只是一个起点,未来中国计量院还将继续拓展单能X射线量子计量研究方向,不断扩展单能X射线能量范围、研制X射线量子探测器,以支撑我国X射线天文学、暗物质寻找等基础前沿研究工作快速发展。

此外,HXMT在伽马射线暴工作模式下,将利用其扩展到200keV—3MeV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,有助于科学家更深入地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。

(原载于《科技日报》 2017-06-22 05版)

“HXMT对硬X射线和软伽马射线能段监测的接收面积,十倍于目前国际上最好的设备,是天空中这一能段最灵敏的伽马射线暴探测器和引力波电磁对应体监测器。”硬X射线调制望远镜卫星系统总师马世俊自豪地说。

慧眼“慧”在哪里

HXMT卫星上天之后,银河系的星星都“逃不过”他的一双“慧眼”,这得益于其练就的一身独门绝技。

HXMT卫星通过探测硬X射线辐射从而了解被监测星源的相关信息。然而硬X射线成像非常困难,目前国际上主要使用的成像技术包括编码孔径成像和多层膜掠射望远镜聚焦成像技术,但它们对探测器的精度要求十分高,设计复杂、造价昂贵。

我国学者独创的直接解调成像方法,是在一定的物理约束条件下直接求解原始的测量方程,可以同时获得高的灵敏度和空间分辨率。“这就使我们在采用精度较低探测器的情况下,也能通过观测模式的精心设计以及后续数据的有效处理,得到星源的位置、能量分布以及相关变化情况等精确信息。”宋黎明说。

直接解调成像的实现需要一个先决条件,即精确校准观测X射线仪器的过程——标定。

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