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(shū) 喻菲 屈婷）中國(guó)科學(xué)院粒子天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張雙南打過(guò)一個(gè)比方，中國(guó)的很多學(xué)科都已走在世界前沿，但天文學(xué)是一個(gè)“大坑”；不過(guò)，幸運(yùn)的是，這個(gè)“大坑”里還長(zhǎng)著兩棵樹(shù)，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(guó)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(guó)能繼續(xù)沿著X射線天文這個(gè)方向走，并逐步澆灌出一棵“參天大樹(shù)”。

“慧眼”全稱硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱HXMT）衛(wèi)星，將對(duì)黑洞、中子星等天體展開(kāi)觀測(cè)，它的發(fā)射運(yùn)行將使中國(guó)在空間X射線觀測(cè)領(lǐng)域占有一席之地。“我們?cè)谶@個(gè)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(cè)手段，就有可能跟歐洲并駕齊驅(qū)，甚至和美國(guó)一較高下。”張雙南說(shuō)。

這是HXMT衛(wèi)星模擬示意圖。（來(lái)源：中科院高能物理研究所）

這位天體物理學(xué)家指出，中國(guó)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。“既然無(wú)法全面競(jìng)爭(zhēng)，那么就在做得比較好的領(lǐng)域重點(diǎn)突破。全面開(kāi)花，開(kāi)的都是些不起眼的小花，還不如開(kāi)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(qiáng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重點(diǎn)突破”的原則，張雙南和他的團(tuán)隊(duì)于2007年提出了X射線時(shí)變與偏振探測(cè)衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱XTP）的設(shè)想。作為HXMT衛(wèi)星的后續(xù)項(xiàng)目，它將實(shí)現(xiàn)從具有特色的小型空間天文臺(tái)到國(guó)際領(lǐng)先的大型空間天文臺(tái)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(gè)巨大的跨越。”張雙南說(shuō)。

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

同時(shí)，下一顆衛(wèi)星將打開(kāi)一扇新的觀測(cè)窗口——偏振。“以前，大家只測(cè)量到達(dá)光子的時(shí)間和能量。以后，我們還要測(cè)量它的偏振。偏振是研究超強(qiáng)磁場(chǎng)和超強(qiáng)引力場(chǎng)一個(gè)非常好的工具。”張雙南說(shuō)。

2012年至2015年，XTP背景型號(hào)獲得中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)支持。在背景型號(hào)的研究過(guò)程中，歐洲的一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)加入了XTP項(xiàng)目，并計(jì)劃貢獻(xiàn)大面積X射線準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡和廣角監(jiān)視器。由此，項(xiàng)目的名稱改為eXTP，也就是“增強(qiáng)型XTP”的意思。

eXTP衛(wèi)星示意圖。（來(lái)源：中科院高能物理研究所）

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

“此外，eXTP在觀測(cè)研究各類高能天體、探測(cè)伽馬射線暴和引力波暴電磁波對(duì)應(yīng)體等多個(gè)天文學(xué)前沿方向都具有明顯優(yōu)勢(shì)，將推動(dòng)我國(guó)空間X射線天文學(xué)進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。”張雙南說(shuō)。

據(jù)悉，eXTP項(xiàng)目已經(jīng)吸引了歐洲十幾個(gè)國(guó)家參與其中，包括德國(guó)、意大利、英國(guó)、西班牙、法國(guó)、瑞士、丹麥等。eXTP有可能成為中國(guó)發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)的、由最多發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)質(zhì)性參加的大型國(guó)際合作科學(xué)研究項(xiàng)目。

鏡面，要攻克的難題

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

1952年，德國(guó)科學(xué)家沃爾特發(fā)明設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)X射線入射時(shí)與鏡面的夾角足夠小。

1999年，美國(guó)發(fā)射了具有里程碑意義的錢(qián)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(duì)10千電子伏（keV）以下的軟X射線實(shí)現(xiàn)聚焦成像。錢(qián)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(guó)發(fā)射的NuSTAR衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了硬X射線聚焦成像，在將能量范圍推高到79keV的同時(shí)，也將鏡面制造工藝推向了一個(gè)新高度。

目前，國(guó)內(nèi)尚不能制造這種適用空間X射線天文觀測(cè)的鏡面。張雙南希望通過(guò)eXTP項(xiàng)目，帶動(dòng)中國(guó)相關(guān)工業(yè)提升技術(shù)水平。

HXMT首席科學(xué)家張雙南。（來(lái)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(guó)畢竟是個(gè)發(fā)展中國(guó)家，所以，盡管從國(guó)外采購(gòu)先進(jìn)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。科學(xué)投入，既要看長(zhǎng)期回報(bào)，也要講短期回報(bào)，那些對(duì)技術(shù)有帶動(dòng)的事情我們要重點(diǎn)去做。”張雙南說(shuō)。

夢(mèng)想，在宇宙更深處

要澆灌出一棵“參天大樹(shù)”，當(dāng)然不能止步于eXTP。“HXMT主要研究銀河系內(nèi)的天體；eXTP會(huì)對(duì)河內(nèi)的部分天體進(jìn)行精細(xì)研究，同時(shí)也會(huì)對(duì)鄰近宇宙展開(kāi)觀測(cè)；再下一步，我們就想把研究范圍擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。”張雙南說(shuō)。

宇宙中的很多問(wèn)題，都有待更先進(jìn)的X射線望遠(yuǎn)鏡來(lái)解決。

張雙南解釋說(shuō)，一方面，宇宙中大結(jié)構(gòu)之間的碰撞、黑洞的成長(zhǎng)演化都會(huì)產(chǎn)生X射線，需要X射線望遠(yuǎn)鏡去觀測(cè)；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(cè)清楚。

這張手繪圖表現(xiàn)了透過(guò)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(gè)重要的謎題——重子缺失問(wèn)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(cè)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(yuǎn)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(jiàn)光，所以看不到，但是會(huì)產(chǎn)生X射線。如果有了更先進(jìn)的X射線望遠(yuǎn)鏡，或許就能把它們找出來(lái)。”張雙南說(shuō)。

“我們現(xiàn)在要開(kāi)始研制eXTP了，但同時(shí)也要發(fā)展下一代技術(shù)。eXTP的下一代望遠(yuǎn)鏡仍會(huì)采用聚焦的技術(shù)，但它的焦平面探測(cè)器會(huì)非常特別；視場(chǎng)要大，因?yàn)槲覀円芯空麄€(gè)宇宙。”張雙南說(shuō)。

[責(zé)任編輯：楊凡、王春令]

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