美麗的星空讓人類一直倍感好奇。手繪/賀萌

新華社北京6月16日電（記者全曉書 喻菲 屈婷）中國科學(xué)院粒子天體物理重點實驗室主任張雙南打過一個比方，中國的很多學(xué)科都已走在世界前沿，但天文學(xué)是一個“大坑”；不過，幸運的是，這個“大坑”里還長著兩棵樹，一棵是高能天體物理，一棵是引力波。

作為近日發(fā)射升空的中國首顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”的首席科學(xué)家，張雙南希望，中國能繼續(xù)沿著X射線天文這個方向走，并逐步澆灌出一棵“參天大樹”。

“慧眼”全稱硬X射線調(diào)制望遠鏡（簡稱HXMT）衛(wèi)星，將對黑洞、中子星等天體展開觀測，它的發(fā)射運行將使中國在空間X射線觀測領(lǐng)域占有一席之地?！拔覀冊谶@個方向上已經(jīng)有了一定基礎(chǔ)，有儀器，有人才，如果再發(fā)展出更好的觀測手段，就有可能跟歐洲并駕齊驅(qū)，甚至和美國一較高下。”張雙南說。

這是HXMT衛(wèi)星模擬示意圖。（來源：中科院高能物理研究所）

這位天體物理學(xué)家指出，中國在基礎(chǔ)科學(xué)的研究方面至少比歐美落后了數(shù)十年，差距還是非常大的?！凹热粺o法全面競爭，那么就在做得比較好的領(lǐng)域重點突破。全面開花，開的都是些不起眼的小花，還不如開出幾朵非常漂亮的玫瑰花?！?/p>

eXTP，下一朵玫瑰

本著“有所為有所不為”和“加強優(yōu)勢領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重點突破”的原則，張雙南和他的團隊于2007年提出了X射線時變與偏振探測衛(wèi)星（簡稱XTP）的設(shè)想。作為HXMT衛(wèi)星的后續(xù)項目，它將實現(xiàn)從具有特色的小型空間天文臺到國際領(lǐng)先的大型空間天文臺的戰(zhàn)略突破。

“在下一顆X射線天文衛(wèi)星上，我們不僅要使用聚焦技術(shù)，而且要把聚焦的面積做大，這將是一個巨大的跨越。”張雙南說。

目前，聚焦型X射線望遠鏡的主要問題是面積比較小，如果口徑太大，焦平面探測器可能來不及分辨到來的每一個X射線光子，這也導(dǎo)致其無法觀測亮源。在張雙南的構(gòu)想中，XTP衛(wèi)星上將安裝十幾個小一點的望遠鏡，單個望遠鏡看亮源光子之間也不混淆，十幾個望遠鏡加在一起又能大幅提升靈敏度。

同時，下一顆衛(wèi)星將打開一扇新的觀測窗口——偏振?！耙郧?，大家只測量到達光子的時間和能量。以后，我們還要測量它的偏振。偏振是研究超強磁場和超強引力場一個非常好的工具?！睆堧p南說。

2012年至2015年，XTP背景型號獲得中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項支持。在背景型號的研究過程中，歐洲的一個科學(xué)團隊加入了XTP項目，并計劃貢獻大面積X射線準直望遠鏡和廣角監(jiān)視器。由此，項目的名稱改為eXTP，也就是“增強型XTP”的意思。

eXTP衛(wèi)星示意圖。（來源：中科院高能物理研究所）

由于集合了大面積聚焦望遠鏡陣列、大面積準直望遠鏡陣列和高靈敏度偏振望遠鏡，eXTP相比于之前的X射線天文衛(wèi)星，綜合性能將有一個數(shù)量級的提高。它的核心科學(xué)目標包括精確測量黑洞自轉(zhuǎn)以及研究極端引力條件下的時空，檢驗極端引力條件下的廣義相對論；精確測量脈沖星的質(zhì)量和半徑，鑒別中子星和夸克星，檢驗極端密度條件下的量子色動力學(xué)；精確測量量子電動力學(xué)預(yù)言的極強磁場中的真空雙折射效應(yīng)，檢驗極端磁場條件下的量子電動力學(xué)。

“此外，eXTP在觀測研究各類高能天體、探測伽馬射線暴和引力波暴電磁波對應(yīng)體等多個天文學(xué)前沿方向都具有明顯優(yōu)勢，將推動我國空間X射線天文學(xué)進入國際領(lǐng)先行列。”張雙南說。

據(jù)悉，eXTP項目已經(jīng)吸引了歐洲十幾個國家參與其中，包括德國、意大利、英國、西班牙、法國、瑞士、丹麥等。eXTP有可能成為中國發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)的、由最多發(fā)達國家實質(zhì)性參加的大型國際合作科學(xué)研究項目。

鏡面，要攻克的難題

要研制下一代聚焦型X射線望遠鏡，就要攻克鏡面制造這個難題。因為X射線的波長極短，能量很高，所以它不會像可見光那樣在鏡面上發(fā)生反射或折射而聚焦成像，而是會像一粒粒“炮彈”一樣，直接砸在鏡面上或者穿透鏡面而過。能量越高，“炮彈”的穿透能力就越強。

1952年，德國科學(xué)家沃爾特發(fā)明設(shè)計了掠射式鏡面，其原理和站在湖邊打水漂十分類似：一方面，風(fēng)平浪靜的水面容易打出漂亮的水漂；另一方面，選擇扁平的瓦片，盡量俯下身去，出手時與湖面的夾角越小，就越容易打出漂亮的水漂。掠射式鏡面能讓X射線反射聚焦的奧妙就在于鏡面的粗糙度足夠低，同時X射線入射時與鏡面的夾角足夠小。

1999年，美國發(fā)射了具有里程碑意義的錢德拉X射線天文衛(wèi)星，其所用的掠射式聚焦系統(tǒng)可以對10千電子伏（keV）以下的軟X射線實現(xiàn)聚焦成像。錢德拉衛(wèi)星的鏡面極其光滑，其表面粗糙度大約只有幾層原子的厚度。如果將其鏡面放大到地球一樣大小，那么，鏡面上最高的“山峰”也只有不到2米。2012年，美國發(fā)射的NuSTAR衛(wèi)星實現(xiàn)了硬X射線聚焦成像，在將能量范圍推高到79keV的同時，也將鏡面制造工藝推向了一個新高度。

目前，國內(nèi)尚不能制造這種適用空間X射線天文觀測的鏡面。張雙南希望通過eXTP項目，帶動中國相關(guān)工業(yè)提升技術(shù)水平。

HXMT首席科學(xué)家張雙南。（來源：中科院高能物理研究所）

“雖然科學(xué)很重要，但也很昂貴。而中國畢竟是個發(fā)展中國家，所以，盡管從國外采購先進的儀器或許能夠得到更好的科學(xué)產(chǎn)出，但我不愿意那么做?？茖W(xué)投入，既要看長期回報，也要講短期回報，那些對技術(shù)有帶動的事情我們要重點去做。”張雙南說。

夢想，在宇宙更深處

要澆灌出一棵“參天大樹”，當然不能止步于eXTP?！癏XMT主要研究銀河系內(nèi)的天體；eXTP會對河內(nèi)的部分天體進行精細研究，同時也會對鄰近宇宙展開觀測；再下一步，我們就想把研究范圍擴展到整個宇宙?！睆堧p南說。

宇宙中的很多問題，都有待更先進的X射線望遠鏡來解決。

張雙南解釋說，一方面，宇宙中大結(jié)構(gòu)之間的碰撞、黑洞的成長演化都會產(chǎn)生X射線，需要X射線望遠鏡去觀測；另一方面，宇宙中絕大部分的物質(zhì)是以高溫等離子體的形式存在的，它們產(chǎn)生的也是X射線，所以只有在X射線波段才能把這些物質(zhì)觀測清楚。

這張手繪圖表現(xiàn)了透過X射線天文衛(wèi)星，我們將看到宇宙狂野、暴躁的一面。（手繪賀萌）

這其中有一個重要的謎題——重子缺失問題。“根據(jù)目前的宇宙演化模型，宇宙中有68.3%是暗能量，26.8%是暗物質(zhì)，另外還有4.9%是我們可以觀測到的物質(zhì)，叫重子物質(zhì)。但是，科學(xué)家們找了又找，怎么也找不到這4.9%的重子在哪兒！在遙遠的宇宙空間中，重子差了不到一半。而在我們鄰近的宇宙中，重子就差得更多了。有一種解釋是，這部分物質(zhì)不發(fā)出可見光，所以看不到，但是會產(chǎn)生X射線。如果有了更先進的X射線望遠鏡，或許就能把它們找出來?！睆堧p南說。

“我們現(xiàn)在要開始研制eXTP了，但同時也要發(fā)展下一代技術(shù)。eXTP的下一代望遠鏡仍會采用聚焦的技術(shù)，但它的焦平面探測器會非常特別；視場要大，因為我們要研究整個宇宙?！睆堧p南說。

[責(zé)任編輯：楊凡、王春令]

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