中國科普博覽：中國用20年打造望向黑洞的慧眼
黑洞，這個吞噬一切的神秘天體，魔咒一般地吸引着我們，從未停止。但是，50多年過去了，人類對黑洞的探索仍然處於初始階段。
為了研究黑洞、中子星等高能緻密天體的基本物理性質以及對周圍時空的影響，中國科學院高能物理研究所和航天科技集團五院等單位研製了我國第一顆空間X射線天文衞星——硬X射線調製望遠鏡（HXMT）衞星。
HXMT衞星的科學目的是什麼？它的觀測過程是怎樣的？與其它天文衞星相比有什麼特點和突破？未來會有哪些科研發現？
帶着這些問題，我們對中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點實驗室主任、HXMT衞星首席科學家張雙南研究員進行了採訪**。**
中科院高能物理研究所研究員、中科院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中科院粒子天體物理重點實驗室主任、HXMT衞星首席科學家張雙南
張雙南研究員介紹説，HXMT衞星目的就是接收來自天體的X射線，當然這種天體可以是中子星，也可以是黑洞。我們主要是希望尋找一些以前不知道的黑洞和中子星，同時，對已經知道的也進行觀測和研究，目的是用來拓展我們對於黑洞和中子星的知識。
在宇宙中，當物質被緻密天體的引力俘獲後，會以螺旋運動掉向中心天體，速度越來越快，温度越來越高，最後會發出強烈的、比一般X射線能量高的硬X射線。
雖然X射線穿透能力比較強，但也不能穿透地球大氣，所以我們必須要到地球大氣層以外才有可能探測到來自天體的X射線。
從一窮二白到自主研發空間天文衞星
早在20世紀70年代，中國就已經開始了X射線天文觀測。中科院高能所利用高空氣球搭載X射線望遠鏡，在40公里高空對X射線脈衝星、黑洞等類型的天體進行了觀測研究，HXMT衞星正是在氣球實驗的基礎上提出和研製的。
為了完成這樣的一個科學裝置，科學家們前前後後共努力了差不多20年的時間，克服了各方面出現的困難，最終才走到了今天。
第一，項目經驗不足。在HXMT衞星之前，我們國家沒有真正做過天文望遠鏡，尤其是空間天文望遠鏡，對如何推動項目發展，經驗不足。
第二，經費不足。以前我們的科研投入量比較小，但近幾年隨着經濟的發展，經費逐漸能滿足需求，可以支持HXMT衞星的研製建造。
第三，人才不足。在人才隊伍方面，雖然我們國家有航天隊伍，但研究空間、天文儀器的隊伍非常小，不適應這麼大型的X射線衞星的研製。
第四，技術要求高。因為這個望遠鏡的設計思路非常創新，用了很多新的空間儀器的技術，我們需要自己研發，之後按照航天要求把它研製出來，這個過程非常複雜。
既然這麼困難，為什麼我們一定要建造它呢？
張雙南老師介紹，空間天文望遠鏡實際上開創了人類探索宇宙的一個窗口。人類在開創了這個領域之後，就發射了各種各樣的天文衞星，也包括我們很熟悉的哈勃天文衞星，所以人類對宇宙的探索是不會停止的，會一直進行的。
中國是一個航天大國，世界上其他航天大國在利用航天來做科學研究方面都做了非常多的事情，而我們國家在這方面做得比較少，硬X射線調製望遠鏡是比較自然地進入空間開展基礎研究的一個領域，所以就選擇了這個領域作為突破口。
HXMT衞星運行示意圖
特點：能量覆蓋面積廣 儀器幾何面積大 望遠鏡視場寬
張雙南老師具體解釋説，首先，**這個X射線的儀器覆蓋的範圍是比較廣的，**覆蓋從1kev到300kev左右，有基本上300倍的能量覆蓋的範圍，如果再加上對伽馬射線暴的探測能力，到3000個kev，覆蓋的範圍就有3000倍，很少有這樣一個衞星能有這樣寬的光子覆蓋範圍。
另外，就是涉及到的儀器，**我們儀器的幾何面積是比較大的。**比如，高能段儀器的幾何面積達到了5000平方釐米，這是在這個能量段最大的面積。
**此外，望遠鏡的視場是比較寬的，它適合做一些天體物理的研究。**比如，我們將會對中子星和黑洞進行非常高統計量、高波段的研究，這是以前的天文望遠鏡或者X射線望遠鏡比較難做到的。由於視場相對比較寬，面積又比較大，這樣我們對於銀河系內的一些比較弱的源變化就會比較敏感，所以我們會對銀河系進行巡天的工作，來搜尋銀河系內有多少像這樣的比較闇弱、隨時間變化的天體，這對我們理解銀河系內的中子星和黑洞都是非常重要的。
它和其它望遠鏡不同，並不是説它比其它的望遠鏡好，而是指在某些方面我們有自己的特色，在這些方面我們能夠做得好一些，所以我們的科學觀測也就圍繞着優勢進行。
HXMT衞星巡天觀測模式示意圖
三種觀測模式：掃描巡天、定向觀測和定點監測
HXMT衞星的觀測主要是有三種模式。簡單的説就是，掃描巡天模式、定點觀測的模式和伽馬射線暴監測模式。
首先，掃描巡天模式。我們預測銀河系裏有很多中子星和黑洞，但是它們在哪裏，都是什麼樣子的，很多都還沒有發現，所以這個衞星會對銀河系進行掃描和巡天的工作；
其次，定向觀測模式。我們已經知道了一些天體源，或者通過巡天發現的天體源，我們會用望遠鏡指向它，這就叫做定向觀測；
最後，伽馬射線暴監測模式。這相當於守株待兔的模式，如果有一些非常強烈的伽馬射線暴被發現，儀器就會監測到這個高流量的信號到達，我們會來提供一個警報來進行後續的觀測等等。
對於這三種模式，張雙南老師舉了一個很形象的例子，“就像有一個男生，在天安門廣場發現有美女，他就很仔細地在茫茫人海當中想找到一個美女，找到之後，他會仔細地盯着這個美女去欣賞，這相當於我們的第二種模式，定向觀測。然後還有可能某個地方出現了某個女神、某個電影明星，她引起了轟動，他立刻轉過去盯着這個女神看，所以這樣有一點像這三種過程，掃描以及定向和監測的過程。”
獲取一手數據 未來有望取得的進展
觀測後，HXMT衞星主要在四個方面有可能取得比較大的進展：
第一，預計會發現一批新的天體源，主要是中子星和黑洞為主的新的高能天體；
第二，對一批比較亮的中子星和黑洞進行定點觀測；
第三，我們有可能會對中子星和黑洞的基本的性質，比如中子星的磁場和中子星的質量、黑洞的質量和黑洞的自轉等做出新的測量，也可以瞭解它們為什麼會有各種各樣的活動性；
第四，對宇宙進行“監視”，我們預期每年能發現幾十個到幾百個伽馬射線暴，當然如果有些伽馬射線暴將來能和引力波事件建立關係，將會成為比較重要的進展。
同時，必須指出，科學研究中不乏意外的收穫，我們也十分期待HXMT能帶給我們意外的驚喜。
工欲善其事，必先利其器。自東方紅衞星發射以來，中國航天技術已經有了長足進步。但空間科學領域，由於缺乏自主的科學衞星，長期使用國外數據，科學家們的研究受到很大限制。空間科學戰略性先導專項正在打破這一僵局。
HXMT衞星的成功發射，和暗物質衞星、實踐十號衞星、量子通信衞星一起，為空間戰略先導專項十二五期間的任務畫上了完美句號。
硬X射線調製望遠鏡衞星（Hard X-ray Mulation Telescope，簡稱HXMT）於6月12日進行發射，它是我國第一顆空間X射線天文衞星，同時也是中國科學院空間科學戰略性先導專項中，十二五期間最後一顆發射的衞星。
戰略性先導專項，顧名思義要優先發展，要傾斜資源，從而形成重大創新突破和集羣優勢。那麼，為什麼要給空間科學設先導專項呢？
空間科學對國家發展具有重要戰略作用
空間科學有多重要？可以參考蘇聯解體前，美蘇進行的瘋狂太空競賽。
它是促進航天技術創新、拓展空間應用、服務國家經濟社會發展，實現和平利用空間、提升大國地位的不可或缺的重要戰略領域。
自我國發射第一顆人造衞星以來，我國的航天技術已有了很大的發展，加速發展空間科學的基本技術條件已經具備。我國的空間科學家由於長期使用國外科學衞星探測數據，也已經建立了初步的研究隊伍和力量。但是**由於缺少自主的科學衞星計劃和第一手的探測數據，科學家原創性的科學發現還比較少，原創性的科學思想也不能快速、直接得到驗證。**空間科學衞星計劃對空間技術發展的獨特的牽動和引領作用也沒有充分發揮出來。
因此，通過實施空間科學戰略性先導科技專項，可以儘快彌補我國與國外的差距，特別是在前沿基礎科學發現和具有潛在應用意義的空間知識創新方面，同時也將為我國航天技術的發展注入新的活力。
在十二五期間，空間科學先導專項主要包括四顆科學衞星工程：暗物質粒子探測衞星、實踐十號返回式科學實驗衞星、量子科學實驗衞星、硬X射線調製望遠鏡（HXMT）衞星以及配套設施建設。
隨着HXMT衞星的順利升空，空間科學先導專項十二五期間的任務順利收官。讓我們一起看一下天空中的這四顆“中國星”。
**“**悟空”號：暗物質粒子探測衞星
作為空間科學先導專項首發衞星，暗物質粒子探測衞星“悟空”（DAMPE）於2015年12月17日在酒泉發射，是我國第一顆空間高能粒子探測器，是目前世界上迄今為止觀測能段範圍最寬、能量分辨率最優的暗物質粒子探測衞星。
它的科學目標主要有三個：一是暗物質間接探測；二是尋找宇宙射線的起源；三是伽馬射線天體物理。
這顆衞星主要的科學儀器無論在重量、功耗還是電子學線路的複雜度、工程實現難度方面都超出了以往。探測器最核心的組成部分——BGO量能器技術只有中國可以做到。
現在，“悟空”已經傳回了一批批科學數據，並交由科研團隊處理。
暗物質衞星運行示意圖
“實踐十號”：我國首顆微重力科學實驗衞星
實踐十號衞星是中科院空間科學先導系列中第二顆科學實驗衞星，2016年4月6日1時38分，我國首顆微重力科學實驗衞星實踐十號發射升空。
它充分利用了太空中長時間的微重力環境和複雜的輻射環境，開展微重力科學和空間生命科學領域的科學研究。實踐十號共承載了19項科學任務，其中微重力科學實驗項目有10項，還有9項為空間生命科學實驗項目。全部科學項目為微重力科學和空間生命科學的前沿研究項目，全部實驗均在國際上首次開展。
作為我國首顆專門的返回式微重力科學實驗衞星，取得了一批重要成果和科學數據。其中“微重力條件下哺乳動物早期胚胎髮育研究”取得重要進展，小鼠早期胚胎在太空中順利完成從2細胞到囊胚的全程發育。這是世界上第一次實現哺乳動物胚胎在太空發育。
實踐十號衞星運行示意圖
**“**墨子號”：全球首顆量子科學實驗衞星
2016年8月16日，全球首顆量子通信衞星“墨子號”成功發射，是中國繼暗物質粒子探測衞星“悟空”、微重力返回式科學實驗衞星“實踐十號”之後的第三顆科學實驗衞星。
中國成為全球第一個實現衞星和地面之間量子通信的國家，我國實現了“天地一體化”量子通信網絡的初步構建，這也成為量子通信領域的中國最強音。隨着“墨子號”的順利升空，地面的“京滬幹線”與空間的量子衞星共同構成了覆蓋全球的廣域網絡，充分利用衞星覆蓋的廣域性和光纖入户的便利性，從而真正實現“天地一體化”的量子通信。
量子衞星運行示意圖
硬X射線調製望遠鏡（HXMT)衞星
作為空間科學先導專項十二五期間的收官之作，硬X射線調製望遠鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，簡稱HXMT）衞星是中國科學院高能物理研究所和航天科技集團五院等單位研製的中國第一顆空間X射線天文衞星，於2017年6月15日發射升空。
它主要由衞星平台和有效載荷構成，總重量約2500Kg，將在高度550公里、傾角43°的近地圓軌道上運行。搭載了三個空間望遠鏡，包括高能X射線望遠鏡、中能X射線望遠鏡和低能X射線望遠鏡。
HXMT衞星有三種科學觀測模式，包括對某個天區進行掃描成像觀測，對特定天體的定點觀測以及伽馬射線暴檢測模式。
硬X射線調製望遠鏡（HXMT）衞星在能量覆蓋範圍、探測面積和能量分辨率等方面具有明顯的綜合優勢，將為國內外科學家提供大批高質量觀測數據，使我國在大天區高靈敏度快速巡天、黑洞、中子星等天體的硬X射線快速光變研究以及劇烈高能爆發現象的監測等領域達到國際先進水平。
硬X射線調製望遠鏡衞星運行示意圖
我國的空間科學近幾年飛速發展，成果豐碩。
未來，還有５顆空間科學衞星將陸續完成研製和發射，包括中歐聯合空間科學衞星任務太陽風－磁層相互作用全景成像衞星計劃(SMILE)、磁層－電離層－熱層耦合小衞星星座探測計劃(MIT)、全球水循環觀測衞星(WCOM)、愛因斯坦探針(EP)和先進天基太陽天文台(ASO－S)。
通過實施空間科學戰略性先導科技專項，發射我們自己的科學衞星，將打破長期使用國外科研數據的僵局，有望在基礎科學領域產出原創性的科學成果，深化人類對宇宙和自然規律的認識，併為我國航天技術的發展注入新的活力，引領中國實現從航天大國到航天強國的跨越發展。
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