【物理之窗】随机阅读

　　利用已在我国高空科学气球上成功应用的成熟探测技术，建造一台世界最高灵敏度和最高分辨本领的硬X射线成像望远镜，实现人类首次硬X射线成像巡天，发现一大批新天体，在一个有重大科学意义的基础科学前沿领域为我国取得高显示度的科学成果。　　　　　——中国科学家的愿望

　　自上世纪初现代物理的基础—相对论和粒子物理出现至七十年代，随着各种高能粒子加速器的建成，新的物理发现和新的理论出现了一个高峰，但由于粒子加速器的能量难以大幅度提高，再没有出现新的为理论所不能解释的现象，物理基本理论的发展似乎又进入一个徘徊时期。

　　天体中存在着人工难以实现的极端物理环境，可以推动物理发展的新现象很有可能出现在这种环境中，而天体的高能辐射正是携带了这种极端环境中物理过程的直接信息。七十年代以来，世界各国把大量财力人力投入空间高能天体物理的研究，三十年来，这一学科的研究取得了大量成果。已有5届诺贝尔物理学奖授予天体物理的实验观测工作。2002年的诺贝尔物理奖授予了三位高能天体物理学家，其中主要的依据之一是他们开辟了了解宇宙的新窗口并发展了研究基本物理过程的新手段。

　　由于成像技术方面的困难，在高能天体物理的整个观测能量范围（从百电子伏至1012电子伏）中，处于20千电子伏至300千电子伏（20keV～300keV）的硬X射线巡天观测基本属于空白。天体物理学家注意到，这个能区的高灵敏度巡天观测恰恰是了解天体高能物理过程的关键手段。相关的研究被美国国家科学委员会列为优先级最高的空间天文项目。

　　从上世纪至今，国际上已发射的天文卫星有100多颗，覆盖的能量范围从微波直到超高能γ射线(约500MeV)，取得了大量的观测研究成果。遗憾的是，这100多颗卫星没有一颗是中国发射的。在这个领域的空间观测研究中，中国在世界上几乎没有影响。

　　已有的硬X射线卫星项目主要为监测天空强爆发源或者对小天区进行成像观测而设计，由于成像的困难，上述100多颗卫星没有一个能够对全天空进行高灵敏度的硬X射线巡天观测。上世纪九十年代初，美国国家科学研究委员会曾将一个高灵敏度的硬X射线巡天观测列为优先级最高的美国中等空间天文项目，但由于技术困难，迄今尚未实现。硬X射线是人类尚未实现成像巡天的最后一个重要波段，影响了人类对许多已知天体整体性质的了解和对未知天体的证认。

　　在传统的观测模式下，要实现对硬X射线辐射进行成像观测非常困难，往往需要采用复杂的硬件结构，体积庞大，本底噪音屏蔽困难，而且造价极其高昂，严重限制了探测器面积的增大和探测灵敏度的提高，从而影响观测数据的信噪比和观测质量。

　　上世纪九十年代初，高能所的李惕碚和吴枚建立了直接解调成像方法，即通过选择适当的调制方式，在提高仪器灵敏度的同时改善结果的分辨能力，用简单廉价的非成像探测器实现高分辨成像，从而找到了可以克服硬X射线成像主要困难的手段。科研人员已经成功地运用该方法，在对国际上几颗卫星的观测数据重新分析后获得了复杂天区的高分辨成像结果。例如：1999年, 高能所卢方军博士用直接解调方法分析德国X射线卫星Rosat数据, 发现了超新星遗迹 SNR G54.1+0.3 的X射线喷流（上图）。

　　1993年，高能所研制了球载硬X射线探测器（左图为实验气球，右下图为球载硬X射线探测器HAPI-4的吊篮），在离地38公里的高空成功地对天鹅座X-1进行了扫描成像，证明了直接解调成像技术的可行及成像能力。但由于受到气球飞行时间的限制，无法对天体进行长时间的观测。同时，还受到气球飞行高度的限制（约40公里），不能观测天顶角低于50度的天体。而卫星的高度在500-600公里，在轨运行时间可长达2年以上，可对全天球进行观测，实现全天巡天扫描。

　　硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope)（HXMT）正是基于对象重建的直接解调方法设计的具有高灵敏度和高分辨本领的空间硬X射线观测仪器。它具有探测面积大、重量轻、价格极其便宜的突出特点，其灵敏度和精度远高于国外现有的仪器。这些优势将使中国填补硬X射线巡天扫描这一重要的观测空白有了可能。

　　近十年来，国内卫星和航天技术也有了高速的发展，从过去只有1、2个平台可供用户选择发展到目前的5个平台，而且主要性能和功能都有了很大的提高，基本满足HXMT的需求，为HXMT卫星提供了成熟的技术支持，用较少的经费和较短的时间实现升空。

　　HXMT成像巡天的灵敏度比已有的或其他已经提出的硬X射线巡天项目的灵敏度高10倍以上。目前世界上面积最大、灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜是欧空局于2002年10月份发射的INTEGRAL（左图）和将于2003年底升空的Swift（右图）。HXMT的几何面积是INTEGRAL的2倍，有效面积为其4倍，灵敏度为其2倍，体积和重量只有INTEGRAL的1/3，造价更是仅为INTEGRAL的1/5～1/6。

　　HXMT工程准样机的研制工作从2000年开始，计划于2005年完成。目标是为HXMT卫星的研制奠定技术基础，争取列入国家民用航天型号研制计划，开展HXMT卫星初样和正样研制，最终实现升空观测。

　　显然，HXMT的性能远好于国际上最重要的硬X射线卫星探测器的性能，这使得HXMT能够发现比现在多几十倍的硬X射线辐射天体。因此，可以毫不夸张地说，在硬X射线天文成像观测领域，无论数学处理方法和硬件设计制造，中国都将处于世界领先地位。

　　HXMT空间望远镜项目日益引起国际空间科学界的重视。1994年9月，在意大利卡普里召开的、有天文和空间科学技术方面近百名专家，包括已发射和计划中的各高能天文卫星的主要负责人参加的高能天文成像国际会议上，HXMT提案建议人之一的李惕碚在会上作了题为“直接解调方法与硬X射线成像”的邀请报告（左图），介绍了直接解调的原理、应用于空间数据分析和气球观测所取得的成果以及HXMT方案，引起了强烈反响。J. Paul教授在会议总结报告中高度评价了直接解调方法，并建议推广应用。

　　美、英、法、意、丹麦等国科学家表示了与中国在空间X射线和γ射线成像望远镜的设计及数据分析工作中进行合作的愿望。

　　从1995年至2000年的五年间，国际上共发射了7颗空间天文卫星。尽管这些卫星要么观测波段不在硬X射线范围，要么不具备巡天观测能力，但对中国来说，还是增加了尽快实现HXMT升空观测的紧迫感。祝愿HXMT空间望远镜能早日列入国家发射计划（左图为HXMT效果图），让中国科学家描绘出人类历史上第一幅较为详细的高灵敏度、高分辨率和高定位精度的硬X射线巡天图。

　　预期HXMT可发现几百至上千个硬X射线天体（截至目前，国际上只发现七十几个），大大推进人类对天体硬X射线辐射及其相关物理过程的了解，构成天文学发展史上的一个里程碑，使中国在此领域一举达到世界领先的地位。

　　（高能所科研处制作内容摘自粒子天体物理研究中心提供的材料）