6月15日11時(shí)，中國首顆空間望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星——硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼”，搭乘長征四號(hào)乙運(yùn)載火箭，在酒泉成功發(fā)射升空。它是世界上覆蓋能量范圍最廣的望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星之一，將肩負(fù)起高精度探測(cè)宇宙中黑洞和中子星的使命。

事實(shí)上，“慧眼”原本是中國計(jì)劃中的第一顆天文衛(wèi)星，也是計(jì)劃中世界上第一顆硬X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，卻因?yàn)殚L達(dá)20多年的論證和經(jīng)費(fèi)籌措過程，升空時(shí)間一再推遲，落在了“晚輩”暗物質(zhì)衛(wèi)星“悟空”的后面。

如今，國際上在軌運(yùn)行的X射線天文衛(wèi)星共有7顆，研究成果累累，美國于2012年發(fā)射的硬X射線望遠(yuǎn)鏡NuStar更是揭開了不少關(guān)于黑洞的謎團(tuán)?！斑t到”的“慧眼”，將與這些同行們競(jìng)爭(zhēng)兼合作，努力在黑洞、中子星和伽馬射線暴方面做出新的發(fā)現(xiàn)。

硬X射線賦予“慧眼”，可助力引力波研究

X射線起源于天體上的高能物理過程，與高溫、高密度、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)引力場(chǎng)等極端物理?xiàng)l件相關(guān)，是研究黑洞、中子星等天體性質(zhì)的主要手段。地球大氣會(huì)吸收X射線，所以對(duì)天體的X 射線觀測(cè)只能在地球大氣之上進(jìn)行。人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞，天鵝座X-1，就是通過X射線探測(cè)到的。而X射線中波長較短、能量較強(qiáng)的頻段，就是硬X射線。

1970年，美國發(fā)射了第一顆X射線天文衛(wèi)星——“自由號(hào)”（Uhuru），打開了X 射線巡天的大門。

從1999 年開始，不同國家紛紛派遣X射線空間望遠(yuǎn)鏡作為“宇宙觀察員”，大大拓寬了人類在宇宙中的視野。如1999 年美國的“錢德拉”望遠(yuǎn)鏡、歐空局的XMM-牛頓衛(wèi)星、2005 年日本發(fā)射的“天體-E2”衛(wèi)星和2013 年入軌的美國NuSTAR衛(wèi)星等。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南預(yù)期，與這些國際上的同行相比，“慧眼”主要可能做出以下幾個(gè)方面的新工作：

一是對(duì)銀河系巡天的工作，“對(duì)有些源要進(jìn)行監(jiān)測(cè)性觀測(cè)，也就是要反復(fù)地看，看它有沒有變化”，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一批以黑洞和中子星為主的新的天體源。

二是會(huì)對(duì)一批比較亮的中子星和黑洞做定點(diǎn)的觀測(cè)，“一次看很長時(shí)間，積累足夠統(tǒng)計(jì)意義的數(shù)據(jù)”，有可能對(duì)于中子星和黑洞的性質(zhì)，如中子星的磁場(chǎng)、質(zhì)量，黑洞的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)等，給出新的測(cè)量結(jié)果，了解他們?yōu)槭裁从懈鞣N各樣的活動(dòng)性。

三是每年可能會(huì)發(fā)現(xiàn)幾十個(gè)到上百個(gè)伽馬射線暴，如果其中的一些事例和引力波的事例存在聯(lián)系，那將是很重要的進(jìn)展?！氨热缯f別人看到了新的天體，或者我們的銀河系巡天當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了新的東西，這個(gè)時(shí)候我們就會(huì)中斷常規(guī)任務(wù)，去對(duì)這些目標(biāo)進(jìn)行比較詳細(xì)的觀測(cè)?！睆堧p南說。

“由中國開拓硬X射線巡天的機(jī)會(huì)正在迅速喪失”

其實(shí)，在20多年前，中科院院士、高能天體物理學(xué)家李惕碚就解決了“慧眼”的一項(xiàng)重要技術(shù)問題，這臺(tái)計(jì)劃中的望遠(yuǎn)鏡也一度承載著作為“中國哈勃”的期望。然而，他一等就是20多年，直到退休也未能見到衛(wèi)星升空。

這個(gè)重要技術(shù)問題，就是硬X射線成像技術(shù)。自1970年發(fā)射軟X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“自由號(hào)”后，美國國家航空航天局NASA就把硬X射線巡天列為重要任務(wù)。不過，美國長期未能突破技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)昂貴的瓶頸。

李惕碚和同事在1992年提出了一種新的成像技術(shù)——直接解調(diào)方法，即應(yīng)用非線性的數(shù)學(xué)手段，直接解原始的測(cè)量方程實(shí)現(xiàn)反演成像。該方法可以使用便宜的儀器，得出更高的圖像分辨率。

1993年，基于這種“物美價(jià)廉”成像技術(shù)的非位置靈敏硬X射線探測(cè)器，通過高空氣球?qū)诙春蜻x體天鵝座X-1進(jìn)行掃描觀測(cè)，獲得了比美國同行好得多的結(jié)果。

因此，高能物理所和國家天文臺(tái)建議將“空間硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）”項(xiàng)目納入“九五”重大科學(xué)工程。然而，新的技術(shù)需要經(jīng)過長時(shí)間的論證，該項(xiàng)目在國內(nèi)遭到反復(fù)的質(zhì)疑，直到李惕碚?qǐng)F(tuán)隊(duì)借助國外的衛(wèi)星數(shù)據(jù)取得一系列發(fā)現(xiàn)。

2005年，HXMT終于入選“十一五”科學(xué)規(guī)劃，準(zhǔn)備作為中國第一顆天文衛(wèi)星發(fā)射升空。此時(shí)，HXMT的兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者，使用傳統(tǒng)成像技術(shù)的歐洲INTEGRAL望遠(yuǎn)鏡和美國SWIFT望遠(yuǎn)鏡已分別于2002年和2004年成功發(fā)射。在這之后，HXMT還經(jīng)歷了重新論證、評(píng)審的風(fēng)波。

2007年3月，中國發(fā)布《“十一五”空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃》，提出“自主研制硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃2010年發(fā)射上天，實(shí)現(xiàn)我國空間天文衛(wèi)星零的突破，在黑洞物理研究等領(lǐng)域取得突破”，在國際上引發(fā)了極大反響。同年10月，國務(wù)院批準(zhǔn)《航天發(fā)展“十一五”規(guī)劃》，要求“優(yōu)先支持面向重大科學(xué)問題的自主創(chuàng)新項(xiàng)目，研制硬X射線望遠(yuǎn)鏡”。

通過了技術(shù)論證，HXMT卻又卡在了經(jīng)費(fèi)這里。經(jīng)原國防科工委委托中國國際工程咨詢公司評(píng)估，HXMT工程需要人民幣10億元?！?0個(gè)億的經(jīng)費(fèi)，財(cái)政部只承擔(dān)8個(gè)億，剩下2億要我們自籌”,李惕碚曾于2009年告訴媒體。當(dāng)時(shí)，他們從“973”項(xiàng)目、“十一五”項(xiàng)目、中科院、清華拿到的經(jīng)費(fèi)，加上清華的借款，尚不足8000萬元。在經(jīng)費(fèi)問題難以解決的情況下，HXMT的立項(xiàng)日程一再延后。

“聽說經(jīng)費(fèi)問題在財(cái)政部、國防科工局和中科院之間扯皮?！崩钐桧债?dāng)時(shí)說道。

“硬X射線是有待人類巡天開拓的最后一個(gè)電磁波段，由中國開拓硬X射線巡天的機(jī)會(huì)正在迅速喪失?！?李惕碚心急如焚?！熬秃孟袷且呀?jīng)叫起跑了，卻又硬生生拉扯著強(qiáng)迫我們停了下來，這樣子還叫我們?cè)趺慈?zhēng)第一？”他說道。

李惕碚的焦慮是可以理解的。就在2007年中國公布HXMT后，NASA在同一年宣布，使用更先進(jìn)成像技術(shù)的NuSTAR望遠(yuǎn)鏡立項(xiàng)。

美國NuSTAR望遠(yuǎn)鏡。

NuSTAR在2012年6月發(fā)射成功。通過對(duì)高能X射線北京的解析，NuSTAR幫助科學(xué)家們定位黑洞的分布。就在不久前，NuSTAR還捕捉到了仙女座一顆亮度驚人的脈沖星。

不斷增加的難度籌碼

2011年，HXMT項(xiàng)目正式立項(xiàng)。如今的“慧眼”，重約2.5噸，載荷重量981公斤，其上同時(shí)安裝了高、中、低能三組X射線望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上是一座小型空間天文臺(tái)。

據(jù)中科院高能物理研究所研究員、衛(wèi)星有效載荷總設(shè)計(jì)師盧方軍介紹，這顆衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了1－250keV的能區(qū)全覆蓋。

和應(yīng)用衛(wèi)星不同，空間探測(cè)衛(wèi)星要做就要爭(zhēng)取做得最先進(jìn)，才能占據(jù)科學(xué)高點(diǎn)。當(dāng)時(shí)間不斷流逝，科學(xué)家們（只能）選擇不斷增加籌碼，升級(jí)技術(shù)，力圖打造“最完美”的“慧眼”。畢竟，這是二十多年才爭(zhēng)取到的一次機(jī)會(huì)。

天上的“慧眼”終于“上崗”，攜手地上的“晚輩”們LAMOST（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡）和貴州“大鍋”FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡），共同搭建起了中國空間探測(cè)的全新時(shí)代。

國際上那些“難產(chǎn)”的天文望遠(yuǎn)鏡，美JWST成 “跳票之王”

“慧眼”不是第一臺(tái)“難產(chǎn)”的天文望遠(yuǎn)鏡，也絕非最后一臺(tái)。美國天文物理下一個(gè)“希望之星”詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）就勘稱 “跳票之王”。自1989年提出哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者的概念以來，JWST的設(shè)計(jì)功能不斷疊加，牽涉多來越多的機(jī)構(gòu)，經(jīng)費(fèi)一路直飆到88億美元，光前期設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)就突破20億美元，幾乎吃光了這20多年來NASA的家底。如今，在軌27年的哈勃望遠(yuǎn)鏡早已超期服役，而JWST仍在最后的測(cè)試階段。

如果一切順利，JWST將于2018年下半年發(fā)射升空，回溯哈勃視線難及的“宇宙黎明”： 宇宙大爆炸后5億年到10億年間，星系開始形成的歷史時(shí)期。

“跳票之王”詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）

而就在此時(shí)此刻，國際天文學(xué)界還在為另一臺(tái)“難產(chǎn)”的天文望遠(yuǎn)鏡頭疼。中國、美國、加拿大、印度和日本計(jì)劃在夏威夷的莫納克亞山頂峰聯(lián)合打造一臺(tái)史無前例的超大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“三十米望遠(yuǎn)鏡”（TMT）。這個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的名字，點(diǎn)出了這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡一目了然的優(yōu)點(diǎn)：口徑大，直接從現(xiàn)在的10米級(jí)別跳到了30米級(jí)別。鏡面越大，可以收集的光子數(shù)就越多，三十米望遠(yuǎn)鏡的集光能力將是哈勃的10倍。然而，莫納克亞山頂峰是當(dāng)?shù)貍髡f中的“神山”，項(xiàng)目未開工就遭到了土著居民的抗議，陷入僵局。

雖然這些“難產(chǎn)”項(xiàng)目耽擱掉的時(shí)間，對(duì)于浩瀚的宇宙來說或許不值一提，但對(duì)于為這些項(xiàng)目傾注心血的科學(xué)家來說，卻十分寶貴。

“1965年日本學(xué)者小田率先提出一種定位太空中X射線源的方法，次年便將探測(cè)器發(fā)射上天，測(cè)得了第一個(gè)宇宙X射線源的位置；于是NASA立即認(rèn)識(shí)到它的重要意義，4年后便將第一顆天文衛(wèi)星Uhuru送入太空，實(shí)現(xiàn)了X射線巡天的開拓?！?009年，李惕碚在接受采訪時(shí)，曾再一次講到這個(gè)他重復(fù)了無數(shù)遍的例子。