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，中國的很多學科都已走在世界前沿，但天文學是一個“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射線觀測領域占有一席之地。“我們在這個方向上已經(jīng)有了一定基礎，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，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）

這位天體物理學家指出，中國在基礎科學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。“既然無法全面競爭，那么就在做得比較好的領域重點突破。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。”

eXTP，下一朵玫瑰

本著“有所為有所不為”和“加強優(yōu)勢領域實現(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，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，這也導致其無法觀測亮源。在張雙南的構想中，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。“以前，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。”張雙南說。

2012年至2015年，XTP背景型號獲得中科院空間科學先導專項支持。在背景型號的研究過程中，歐洲的一個科學團隊加入了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。它的核心科學目標包括精確測量黑洞自轉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；精確測量量子電動力學預言的極強磁場中的真空雙折射效應，檢驗極端磁場條件下的量子電動力學。

“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體等多個天文學前沿方向都具有明顯優(yōu)勢，將推動我國空間X射線天文學進入國際領先行列。”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)起和領導的、由最多發(fā)達國家實質性參加的大型國際合作科學研究項目。

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，德國科學家沃爾特發(fā)明設計了掠射式鏡面，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，帶動中國相關工業(yè)提升技術水平。

HXMT首席科學家張雙南。（來源：中科院高能物理研究所）

“雖然科學很重要，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產(chǎn)出，但我不愿意那么做。科學投入，既要看長期回報，也要講短期回報，那些對技術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。“HXMT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。”張雙南說。

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，宇宙中大結構之間的碰撞、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，另外還有4.9%是我們可以觀測到的物質，叫重子物質。但是，科學家們找了又找，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。”張雙南說。

“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。eXTP的下一代望遠鏡仍會采用聚焦的技術，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。”張雙南說。

[責任編輯：楊凡、王春令]

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