硬射線調制望遠鏡
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摘要用宇宙作為物理實驗室,探索在地球上無法企及的條件下,例如極早期宇宙或黑洞視界附近強引力場中的物理規律,已成為新世紀物理學和天文學共同的前沿課題;空間天文觀測是其中一個最重要的研究途徑.自主研制和發放空間硬X射線調制望遠鏡(HXMT),實現中國空間天文衛星零的突破,是中國《“十一·五”空間科學發展規劃》的目標之一.HXMT將實現寬波段X射線(1—250keV)巡天,其中在硬X射線波段具有世界最高靈敏度和空間分辨率,發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和未知類型天體,探測宇宙硬X射線背景輻射;HXMT還將通過對黑洞和其他高能天體寬波段X射線時變和能譜的觀測,研究致密天體極端物理條件下的動力學和輻射過程.基于成像技術創新提出HXMT項目迄今已有15年,能不能抓住技術創新所提供的科學機遇仍然是一個嚴重的挑戰.
關鍵詞高能天體物理,黑洞,空間天文
Abstract:UsingtheuniverseasauniquelaboratoryforprobingthelawsofphysicsinregimesnotaccessibleonEarth,suchastheveryearlyuniverseorstronggravityfieldsneartheeventhorizonofablackhole,isanewcommonfrontierbetweenphysicsandastronomy.ThehardX-raymodulationtelescope(HXMT)missionisthefirstdedicatedastronomysatelliteinthe2006—2010five-yearplanforspacescienceunveiledbytheNationalSpaceAdministrationofChina.TheHXMTmissionwillperformawideband(1—250keV)all-skysurveywiththebestsensitivityandangularresolutioninthehardX-rayrangeasablackholefinderandcosmichardX-raybackgroundobserver,andmakesensitivepointedtimingandspectralobservationsforstudyingtheunderlyingphysicsprocessesofblackholesandothercompactobjects.FifteenyearshavepassedsincethesubmissionoftheHXMTproposalbasedonanewimagingtechnique.ItisstillachallengeforChinatoseeifthescientificopportunitycreatedbysuchatechnologicalinnovationcanbefinallygrasped.
Keywords:high-energyastrophysics,blackhole,astronomyfromspace
1X射線天文學的開拓
天體的高能輻射(X射線､γ射線)被地球大氣吸收,必須在地外空間才能被觀測到.1962年,美國科學工程公司一個青年核工程師賈科尼(R.Giacconi),聯合麻省理工學院的學者,用探空火箭把X射線計數器放到高空,探測月面被太陽照射時產生的熒光X射線,意外地在月亮和太陽以外的天區探測到一個很強的X射線源[1].當時用的X射線探測器不能成像,只能測得寬視場中的X射線光子計數,不能確定X射線天體的位置.1965年,在美國工作的日本學者小田(M.Oda)提出準直器調制定位方法[2],可以利用簡單的X射線計數器確定X射線源的方位.1966年,賈科尼､小田等將加了準直器的X射線探測器用火箭重新發射上天,測出這個X射線源在天蝎座,這就是人類發現的第一個宇宙X射線源天蝎座X-1.1970年,采用這一技術的X射線天文衛星“Uhuru(自由號)”上天.Uhuru實現了人類歷史上首次X射線(2—20keV)巡天,發現了400多個宇宙X射線源.其后,賈科尼等發展了X射線掠射成像技術,發放了“愛因斯坦天文臺”等X射線成像衛星,使X射線天文學走向成熟.2002年,賈科尼由于開拓了人類觀測宇宙的新窗口——X射線天文學而被授予諾貝爾物理學獎.
2硬X射線天文
對于研究天體極端條件下的高能過程,光子能量高于10—20keV的硬X射線是比X射線更重要的窗口.例如,黑洞吸引周圍物質形成吸積盤,其最后一個穩定軌道內邊緣的溫度達到數百萬､上千萬度,發射強烈的軟X射線.而從吸積盤邊緣到黑洞視界的高溫等離子體溫度高達數十億度,這個區域主要發射比軟X射線能量更高的硬X射線.所以,硬X射線是研究鄰近黑洞強引力場區域時間､空間和物質性質的關鍵波段.而且很多巨型黑洞被塵埃包圍,軟X射線無法穿透,只能用硬X射線探測器去發現它們.上世級90年代初,美國科學研究委員會天體物理委員會在規劃未來十年美國天體物理發展的報告中指出,高能天文觀測存在一個重要的缺口,就是硬X射線波段,預期這個波段將是非常富有成果的領域,報告將硬X射線成像列為優先級最高的90年代空間高能項目;美國宇航局也把硬X射線巡天列為90年代空間高能天體物理的首要任務.
硬X射線成像比X射線成像困難得多.上世紀70年代開始發展了編碼孔徑成像技術,它是用探測器陣列與編碼孔板構成的編碼孔徑望遠鏡,記錄不同方向入射的光子編碼板投影的疊加,然后再借助于解調或者反演的數學方法求出影像.上世紀90年代,歐洲和美國先后開始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛星.
3直接解調方法
我們于上世紀90年代初提出直接解調方法[3],用簡單成熟的硬件技術可以實現高分辨和高靈敏度硬X射線巡天.自從高斯發明最小二乘法以來,人們總是借助一些簡化的最優化條件(如最小二乘條件､最大熵條件或最大似然條件)或線性數學變換(如傅里葉變換),實現由觀測數據到真實對象的反演;直接解調方法則應用非線性的數學手段,直接解原始的測量方程,實現反演成像.由于更充分地利用了數據中有關測量對象和測量儀器的信息,同樣的數據經直接解調可以得到比傳統方法好得多的反演結果.把直接解調技術運用于實驗設計,可以突破儀器內稟分辨的限制,用簡單的非成像探測器掃描觀測,實現高靈敏度和高分辨率的成像.與復雜和昂貴的編碼孔徑成像系統相比,簡單的準直探測器掃描數據直接解調成像的,分辨率高,同時噪音干擾被有效抑制,背景異常干凈.直接解調方法提出之初,用低分辨的非成像探測器能實現高分辨成像難以被接受,曾被稱為“魔術”,直接解調成像結果甚至被懷疑為弄虛作假.新方法取得認可經歷了一個長期的過程:論證了方法的數學基礎;用地面實驗和球載硬X射線望遠鏡飛行驗證了直接解調成像的可行性;應用直接解調技術重新分析多種國際空間天文衛星的檔案數據,大大提高了其結果的質量(利用一些非成像衛星的數據實現了高分辨成像,并獲得一些重要的天文發現).經過十年左右的理論､實驗和數據分析工作,國內外學者開始接受直接解調方法,例如,2002年7月,歐洲空間局在意大利舉行空間科學暑期講習班,將“直接解調方法”列為成像方法課程.
4硬X射線天文衛星HXMT
1993年,中國科學院高能物理研究所高能天體物理實驗室研制的非位置靈敏硬X射線探測器HAPI-4(見圖1),在高空氣球飛行中對恒星級黑洞天鵝座X-1進行掃描觀測,利用直接解調技術實現了高分辨硬X射線成像[4].在此基礎上,作為“九五”重大科學工程侯選項目,我們提出用成熟廉價的探測技術建造和發放世界最高靈敏度和最高空間分辨本領的硬X射線調制望遠鏡HXMT的建議.HXMT望遠鏡由18個準直NaI/CsI復合晶體單元構成,總面積為5000cm2,準直器視場為1°×6°,探測能區為20—250keV,成像分辨率好于5角分.1994年5月,對該建議的評審結論是“空間高能X射線調制望遠鏡采用我國發展的直接解調成像方法,如能確認則可望成為世界上第一臺高能X射線的高靈敏度､高分辨率的成像望遠鏡,在硬X射線天體的發現和研究方面作出重大貢獻.技術(硬件)儲備較好.主要問題是作為核心的方法有待確認”.
經過多年時間,直接解調方法慢慢地被較多人認可.1998年,為利用直接解調新技術開拓空間天文前沿,44位物理､天文和空間科學技術方面的學者(包括9位在海外的中國學者)聯合提出國家重點基礎研究發展規劃(973)項目建議書.2000年,973項目“天體高能輻射的空間觀測與研究”立項.2000—2005年,在973項目支持下,中國科學院高能物理研究所和清華大學合作建成HXMT望遠鏡主探測器1:1地面樣機(見圖2).地面樣機對放射源掃描成像結果(如圖3),證實了用HXMT實現高分辨率成像的可行性.
5硬X射線巡天
1993年提出的HXMT衛星項目,期望能在歐美之前,以好于5角分的分辨率實現硬X射線的首次成像巡天,發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和其他高能天體.當時,歐洲剛開始研制基于編碼孔徑成像技術的INTEGRAL衛星,由2500個硬X射線/γ射線探測單元組成,總面積2500cm2,設計的成像角分辨率為15角分.HXMT的成像分辨率和靈敏度比INTEGRAL好得多,但技術難度和造價卻低得多,領先實現硬X射線巡天是完全可能的.可惜的是,由于對直接解調新方法的疑慮,HXMT項目立項被長期拖延,而INTEGRAL衛星卻于2002年成功發射上天.INTEGRAL雖然不是為實現巡天設計的衛星,但鑒于硬X巡天的重要性,INTEGRAL上天后用累積大量局部天區成像的方式努力實現大天區成像,發現了幾十個以前沒有看到的超大質量黑洞.隨后,2004年美國又發射了可以實現硬X射線巡天的編碼孔徑成像望遠鏡SWIFT,角分辨率為14角分.雖然HXMT仍然可以實現靈敏度､空間分辨率和曝光均勻性比INTEGRAL和SWIFT更好的巡天,能發現更多的硬X射線天體,但中國實現人類首次硬X射線巡天的難得的歷史性機遇已經喪失.
6超越愛因斯坦
“超越愛因斯坦”是21世紀美國NASA的一個重大的空間科學計劃,其科學目標是了解:(1)是什么驅動了宇宙大爆炸;(2)黑洞附近時間､空間和物質的性質;(3)什么是暗能量.“超越愛因斯坦”計劃通過對宇宙大爆炸､黑洞和暗能量的空間科學觀測,尋求物理科學新的突破.
HXMT是發現黑洞和研究致密天體強引力場中動力學與高能過程的強有力的實驗裝置.在“超越愛因斯坦”計劃的下一代黑洞搜尋者(BlackHoleFinderProb)之前,HXMT能夠以最高靈敏度和分辨率發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和其他未知類型高能天體,并研究宇宙硬X射線背景的性質.HXMT衛星的低能(1—15keV)､中能(5—30keV)和高能(20—250keV)三個望遠鏡都是準直型探測器,直接解調掃描數據可以實現高分辨和高靈敏度成像以及對彌散源的成像;而大面積準直探測器又能獲得特定天體目標的高統計和高信噪比數據,使HXMT既能實現大天區成像,又能通過寬波段時變和能譜觀測研究天體高能過程,有機會為實現“超越愛因斯坦”的目標作出獨到的貢獻.
HXMT建議提出3年后,筆者之一于1996年8月初在香港召開的“21世紀華人天文學會議”上介紹了這個項目[5].報告的結束語說:“由于在硬X波段具有前所未有的靈敏度和成像能力,HXMT衛星將對空間天文的發展做出重要貢獻.對于中國,這是一個難得的機遇去實現人類首次硬X射線高靈敏度和高分辨率巡天,這也是對于中國科學界及其領導者的判斷力､自信心與勇氣的一個挑戰”.
報告結束,來自臺灣在美國NASA戈達特飛行中心工作的著名理論天體物理學家丘宏義教授從頭排的座位站了起來,興奮地揮動著手臂說:“太好了,我們可以超過美國人了!”他接著講了一個故事:小田因為發明X射線調制器實現X射線天體定位和第一顆X射線衛星上天而變得很有名氣;當他從美國回到日本時,受到天皇接見.天皇問他:“小田先生,你發明的這個調制器有什么用處?”小田答道:“沒有什么用處,最重要的用處就是能夠得到陛下的接見!”
小田于1965年提出準直調制方法時,在美國光學雜志發表的文章篇幅不足一頁,次年用火箭飛行測得第一個宇宙X射線源,4年后,X射線衛星Uhuru就升空了,實現了X射線巡天的開拓.我們在1992年建立直接解調方法,也用了1年時間由氣球飛行實現了對天鵝座X-1的直接解調成像.但是,15年過去了,從丘先生激動地期待算起也已經過去了12年,至今硬X射線調制望遠鏡衛星的工程立項還未能完成.作為在中國從事科學研究的工作者,十多年來我們不斷地聆聽要努力創新的教導,或承受沒本事創新的指責,無緣體味小田式的幽默灑脫.面對激烈的國際竟爭,我們仍然在努力著和祈望著新方法所提供的科學機遇不至于最終被完全地喪失掉.
參考文獻
[1]GiacconiR,GurskyH,PaoliniFetal.Phys.Rev.Lett.,1962,9:439
[2]OdaM.Appl.Opt.,1965,4:143
[3]LiTP,WuM.Astrophys.SpaceSci.,1994,215:213
[4]LuZGetal.Nucl.Inst.&Meth.inPhys.Res.A,1995,362:551
[5]LiTP.InProc.of21stCenturyChineseAstronomyConference.ChengKS,ChanKLeds.WorldScientific,PublishingCo.Pte.Ltd.,1997.170
