中国首台空间望远镜升空,曾因质疑和经费“难产”20多年

澎湃新闻记者 虞涵棋 王灿

2017-06-15 21:01 来源:澎湃新闻

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 6月15日11时,中国首颗空间望远镜卫星——硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”,搭乘长征四号乙运载火箭,在酒泉成功发射升空。它是世界上覆盖能量范围最广的望远镜卫星之一,将肩负起高精度探测宇宙中黑洞和中子星的使命。
事实上,“慧眼”原本是中国计划中的第一颗天文卫星,也是计划中世界上第一颗硬X射线望远镜卫星,却因为长达20多年的论证和经费筹措过程,升空时间一再推迟,落在了“晚辈”暗物质卫星“悟空”的后面。
硬X射线调制望远镜卫星“慧眼” 。  新华网 图
如今,国际上在轨运行的X射线天文卫星共有7颗,研究成果累累,美国于2012年发射的硬X射线望远镜NuStar更是揭开了不少关于黑洞的谜团。“迟到”的“慧眼”,将与这些同行们竞争兼合作,努力在黑洞、中子星和伽马射线暴方面做出新的发现。
硬X射线赋予“慧眼”,可助力引力波研究
X射线起源于天体上的高能物理过程,与高温、高密度、强磁场、强引力场等极端物理条件相关,是研究黑洞、中子星等天体性质的主要手段。地球大气会吸收X射线,所以对天体的X 射线观测只能在地球大气之上进行。人类发现的第一个黑洞,天鹅座X-1,就是通过X射线探测到的。而X射线中波长较短、能量较强的频段,就是硬X射线。
1970年,美国发射了第一颗X射线天文卫星——“自由号”(Uhuru),打开了X 射线巡天的大门。
从1999 年开始,不同国家纷纷派遣X射线空间望远镜作为“宇宙观察员”,大大拓宽了人类在宇宙中的视野。如1999 年美国的“钱德拉”望远镜、欧空局的XMM-牛顿卫星、2005 年日本发射的“天体-E2”卫星和2013 年入轨的美国NuSTAR卫星等。
X射线是研究黑洞、中子星等天体性质的主要手段。  新华网 图
硬X射线调制望远镜卫星首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员张双南预期,与这些国际上的同行相比,“慧眼”主要可能做出以下几个方面的新工作:
一是对银河系巡天的工作,“对有些源要进行监测性观测,也就是要反复地看,看它有没有变化”,可能会发现一批以黑洞和中子星为主的新的天体源。
二是会对一批比较亮的中子星和黑洞做定点的观测,“一次看很长时间,积累足够统计意义的数据”,有可能对于中子星和黑洞的性质,如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解他们为什么有各种各样的活动性。
三是每年可能会发现几十个到上百个伽马射线暴,如果其中的一些事例和引力波的事例存在联系,那将是很重要的进展。“比如说别人看到了新的天体,或者我们的银河系巡天当中发现了新的东西,这个时候我们就会中断常规任务,去对这些目标进行比较详细的观测。”张双南说。
“由中国开拓硬X射线巡天的机会正在迅速丧失”
其实,在20多年前,中科院院士、高能天体物理学家李惕碚就解决了“慧眼”的一项重要技术问题,这台计划中的望远镜也一度承载着作为“中国哈勃”的期望。然而,他一等就是20多年,直到退休也未能见到卫星升空。
这个重要技术问题,就是硬X射线成像技术。自1970年发射软X射线望远镜卫星“自由号”后,美国国家航空航天局NASA就把硬X射线巡天列为重要任务。不过,美国长期未能突破技术复杂、造价昂贵的瓶颈。
李惕碚和同事在1992年提出了一种新的成像技术——直接解调方法,即应用非线性的数学手段,直接解原始的测量方程实现反演成像。该方法可以使用便宜的仪器,得出更高的图像分辨率。
中科院院士、高能天体物理学家李惕碚。
1993年,基于这种“物美价廉”成像技术的非位置灵敏硬X射线探测器,通过高空气球对黑洞候选体天鹅座X-1进行扫描观测,获得了比美国同行好得多的结果。
因此,高能物理所和国家天文台建议将“空间硬X射线调制望远镜(HXMT)”项目纳入“九五”重大科学工程。然而,新的技术需要经过长时间的论证,该项目在国内遭到反复的质疑,直到李惕碚团队借助国外的卫星数据取得一系列发现。
2005年,HXMT终于入选“十一五”科学规划,准备作为中国第一颗天文卫星发射升空。此时,HXMT的两个竞争者,使用传统成像技术的欧洲INTEGRAL望远镜和美国SWIFT望远镜已分别于2002年和2004年成功发射。在这之后,HXMT还经历了重新论证、评审的风波。
2007年3月,中国发布《“十一五”空间科学发展规划》,提出“自主研制硬X射线调制望远镜,计划2010年发射上天,实现我国空间天文卫星零的突破,在黑洞物理研究等领域取得突破”,在国际上引发了极大反响。同年10月,国务院批准《航天发展“十一五”规划》,要求“优先支持面向重大科学问题的自主创新项目,研制硬X射线望远镜”。
通过了技术论证,HXMT却又卡在了经费这里。经原国防科工委委托中国国际工程咨询公司评估,HXMT工程需要人民币10亿元。“10个亿的经费,财政部只承担8个亿,剩下2亿要我们自筹”,李惕碚曾于2009年告诉媒体。当时,他们从“973”项目、“十一五”项目、中科院、清华拿到的经费,加上清华的借款,尚不足8000万元。在经费问题难以解决的情况下,HXMT的立项日程一再延后。
“听说经费问题在财政部、国防科工局和中科院之间扯皮。”李惕碚当时说道。
“硬X射线是有待人类巡天开拓的最后一个电磁波段,由中国开拓硬X射线巡天的机会正在迅速丧失。” 李惕碚心急如焚。“就好像是已经叫起跑了,却又硬生生拉扯着强迫我们停了下来,这样子还叫我们怎么去争第一?”他说道。
李惕碚的焦虑是可以理解的。就在2007年中国公布HXMT后,NASA在同一年宣布,使用更先进成像技术的NuSTAR望远镜立项。
美国NuSTAR望远镜。
NuSTAR在2012年6月发射成功。通过对高能X射线北京的解析,NuSTAR帮助科学家们定位黑洞的分布。就在不久前,NuSTAR还捕捉到了仙女座一颗亮度惊人的脉冲星。
不断增加的难度筹码
2011年,HXMT项目正式立项。如今的“慧眼”,重约2.5吨,载荷重量981公斤,其上同时安装了高、中、低能三组X射线望远镜,实际上是一座小型空间天文台。
据中科院高能物理研究所研究员、卫星有效载荷总设计师卢方军介绍,这颗卫星首次实现了1-250keV的能区全覆盖。
和应用卫星不同,空间探测卫星要做就要争取做得最先进,才能占据科学高点。当时间不断流逝,科学家们(只能)选择不断增加筹码,升级技术,力图打造“最完美”的“慧眼”。毕竟,这是二十多年才争取到的一次机会。
贵州“大锅”FAST(500米口径球面射电望远镜)
天上的“慧眼”终于“上岗”,携手地上的“晚辈”们LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)和贵州“大锅”FAST(500米口径球面射电望远镜),共同搭建起了中国空间探测的全新时代。
国际上那些“难产”的天文望远镜,美JWST成 “跳票之王”
“慧眼”不是第一台“难产”的天文望远镜,也绝非最后一台。美国天文物理下一个“希望之星”詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)就勘称 “跳票之王”。自1989年提出哈勃望远镜继任者的概念以来,JWST的设计功能不断叠加,牵涉多来越多的机构,经费一路直飙到88亿美元,光前期设计经费就突破20亿美元,几乎吃光了这20多年来NASA的家底。如今,在轨27年的哈勃望远镜早已超期服役,而JWST仍在最后的测试阶段。
如果一切顺利,JWST将于2018年下半年发射升空,回溯哈勃视线难及的“宇宙黎明”: 宇宙大爆炸后5亿年到10亿年间,星系开始形成的历史时期。
“跳票之王”詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)
而就在此时此刻,国际天文学界还在为另一台“难产”的天文望远镜头疼。中国、美国、加拿大、印度和日本计划在夏威夷的莫纳克亚山顶峰联合打造一台史无前例的超大光学望远镜“三十米望远镜”(TMT)。这个简单粗暴的名字,点出了这台望远镜一目了然的优点:口径大,直接从现在的10米级别跳到了30米级别。镜面越大,可以收集的光子数就越多,三十米望远镜的集光能力将是哈勃的10倍。然而,莫纳克亚山顶峰是当地传说中的“神山”,项目未开工就遭到了土著居民的抗议,陷入僵局。
虽然这些“难产”项目耽搁掉的时间,对于浩瀚的宇宙来说或许不值一提,但对于为这些项目倾注心血的科学家来说,却十分宝贵。
“1965年日本学者小田率先提出一种定位太空中X射线源的方法,次年便将探测器发射上天,测得了第一个宇宙X射线源的位置;于是NASA立即认识到它的重要意义,4年后便将第一颗天文卫星Uhuru送入太空,实现了X射线巡天的开拓。”2009年,李惕碚在接受采访时,曾再一次讲到这个他重复了无数遍的例子。
责任编辑:虞涵棋澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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