中國(guó)前些日子剛剛發(fā)射了第一個(gè)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)月的《中國(guó)國(guó)家天文》雜志也用了大量篇幅來(lái)揭秘這個(gè)神奇的望遠(yuǎn)鏡。那么硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)什么樣？怎么工作？能得到什么？這么難的高科技我不懂啦……

為了給大家更好的解釋硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡究竟是個(gè)什么鬼，和其中種種因緣際會(huì)，我們專訪了中國(guó)科學(xué)院院士、中科院高能物理所研究員、清華大學(xué)教授李惕碚，給大家解密硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的故事。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡證件照

中國(guó)的“哈勃”？

《中國(guó)國(guó)家天文》記者（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)天”）/

說(shuō)到望遠(yuǎn)鏡，我們都會(huì)想到哈勃。請(qǐng)問(wèn)，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡可以帶來(lái)和“哈勃”望遠(yuǎn)鏡一樣的成像圖像嗎？

李惕碚（以下簡(jiǎn)稱“李”）/

不能。因?yàn)椤肮焙陀瞂射線調(diào)制衛(wèi)星完全是在不同的波段上工作?！肮笔窃诠鈱W(xué)波段，我們的衛(wèi)星是在X射線波段。完全從分辨率來(lái)比較，HXMT是不可能趕上光學(xué)的“哈勃”的，高能波段的成像比光學(xué)波段要差很多。

另辟蹊徑，直接解調(diào)成像

國(guó)天/ 硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過(guò)了20年的發(fā)展。您最早提出了在硬X波段直接解調(diào)成像的想法，為什么您會(huì)提出用這樣一種特別的方法來(lái)發(fā)展下一代硬X射線望遠(yuǎn)鏡呢？

李/ 硬X射線望遠(yuǎn)鏡的主要觀測(cè)對(duì)象應(yīng)該是黑洞，而當(dāng)時(shí)黑洞發(fā)現(xiàn)得還很少。黑洞發(fā)現(xiàn)后當(dāng)然要求成像，以便搞清楚黑洞的起源演化。黑洞在吸積物質(zhì)，物質(zhì)在落向黑洞的過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，從而發(fā)射出電磁波，遍及各個(gè)波段。吸積物質(zhì)在最接近黑洞時(shí)，溫度已經(jīng)很高了，所發(fā)射的最主要是硬X射線，這個(gè)波段是黑洞輻射能量最集中的一個(gè)窗口。所以科學(xué)界有這樣的共識(shí)：硬X波段是探測(cè)黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)時(shí)最重要的一個(gè)波段、一個(gè)窗口。

硬X射線探測(cè)最大的困難是非常難以成像。因?yàn)閷?duì)于高能量的光子很難聚焦，所以傳統(tǒng)的成像方法就不再適用，如反射鏡等。當(dāng)時(shí)國(guó)際上非常先進(jìn)的方法是編碼孔徑成像，這個(gè)方法要求的探測(cè)器或編碼孔徑都很復(fù)雜，儀器復(fù)雜，體積也大，造價(jià)也高，當(dāng)時(shí)中國(guó)是承擔(dān)不起的。盡管國(guó)際上的主流方法是編碼孔徑成像，但我們只能走另外的路，看有沒(méi)有便宜的辦法，所以就提出了直接解調(diào)成像。

這種方法的好處在于，可以用非成像的儀器，也就是空間分辨很差的儀器對(duì)對(duì)象做掃描，然后對(duì)掃描的數(shù)據(jù)用數(shù)學(xué)處理的辦法來(lái)成像，或者說(shuō)直接解調(diào)的方法。對(duì)于這個(gè)方法，我們經(jīng)過(guò)了理論上的計(jì)算，在氣球上對(duì)天鵝座X1做過(guò)觀測(cè)驗(yàn)證，并且對(duì)國(guó)外非成像衛(wèi)星的數(shù)據(jù)做過(guò)重新分析，可以得到大大優(yōu)于相關(guān)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)表過(guò)的成像結(jié)果。這是很長(zhǎng)的一段路程，最終證明這個(gè)方法是可行的。

HXMT有效載荷正樣件向衛(wèi)星平臺(tái)吊裝

取經(jīng)非線性數(shù)學(xué)與人工智能

國(guó)天/ 在硬X射線觀測(cè)上進(jìn)行直接解調(diào)是一種很新的想法，當(dāng)初有沒(méi)有人對(duì)此提出過(guò)質(zhì)疑？

李：我們是在1993年到1994年正式提出了HXMT項(xiàng)目。在評(píng)審過(guò)程中，專家們對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)意義都是很肯定的，唯一的疑慮就是成像方法是否可行，大家都拿不準(zhǔn)，所以我們經(jīng)過(guò)了十多年的時(shí)間來(lái)證明這個(gè)方法是可行的。

在一次我們給中國(guó)科學(xué)院周光召院長(zhǎng)匯報(bào)的過(guò)程中，周院長(zhǎng)提出了一個(gè)很重要的問(wèn)題：直接解調(diào)采用非線性的數(shù)學(xué)迭代，而非線性數(shù)學(xué)的一個(gè)很重要的疑難問(wèn)題在于是不是收斂的，是不是收斂到全局的最佳點(diǎn)。它可能有很多的極大和極小點(diǎn)，我們的方法是不是收斂到了一個(gè)局部最好位置，而不是全局最好位置。我回應(yīng)道，這個(gè)問(wèn)題非常重要，但我回答不上來(lái)，因?yàn)榉蔷€性數(shù)學(xué)太困難了。我只能說(shuō)，通過(guò)大量的模擬計(jì)算，證明結(jié)果確實(shí)能滿足我們觀測(cè)的需要。

此后，我們一直試圖正式回答周先生的這樣一個(gè)很專業(yè)的、很重要的問(wèn)題。最后我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)叫做“霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)”的非常重要的網(wǎng)絡(luò)相似，后者就是一個(gè)非線性的反饋網(wǎng)絡(luò)。數(shù)學(xué)家已經(jīng)證明了霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)是收斂的、穩(wěn)定的，而且收斂到全局最佳。所以我們用間接方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做類比，回答了周先生的問(wèn)題。

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但在很長(zhǎng)時(shí)間里，天文學(xué)家對(duì)這個(gè)方法仍然持懷疑的態(tài)度。我們花了十幾年時(shí)間，做了大量工作，來(lái)說(shuō)服國(guó)內(nèi)外天文學(xué)家相信這個(gè)方法是可用的，是正確的。最近幾年，大家知道人工智能取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，例如AlphaGo。因?yàn)楫?dāng)年為了回答周先生的問(wèn)題，我曾經(jīng)關(guān)注過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。我覺(jué)得非常疑惑，因?yàn)槿斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)這些年在原理上并沒(méi)有什么大的突破，霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)仍然是唯一的被嚴(yán)格證明是收斂的、穩(wěn)定的非線性網(wǎng)絡(luò)。我請(qǐng)教了深度學(xué)習(xí)或人工智能的專家，他們說(shuō)目前的技術(shù)仍然是基于原來(lái)的基礎(chǔ)上，特別是霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，只不過(guò)網(wǎng)絡(luò)變得更復(fù)雜了，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算得更快了，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)更多、層次更多了而已。所以反過(guò)來(lái)講，直接解調(diào)方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，和現(xiàn)在取得了很重要發(fā)展的深度學(xué)習(xí)、人工智能是同樣的。關(guān)鍵是誰(shuí)能把它真正在計(jì)算上和觀測(cè)上實(shí)現(xiàn)，讓它取得很好的結(jié)果。

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很多學(xué)者對(duì)直接解調(diào)方法長(zhǎng)期有疑問(wèn)，與當(dāng)年很多人不相信機(jī)器可以在圍棋上戰(zhàn)勝人類相似，當(dāng)時(shí)確實(shí)想不到人工智能能發(fā)展出很多讓人匪夷所思的性能。一個(gè)原理上很新的想法，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)受到懷疑，這并不是一個(gè)很反常的事情，是可以理解的。

黑洞天文臺(tái)

國(guó)天/ 這個(gè)項(xiàng)目經(jīng)歷了那么長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，您覺(jué)得有什么影響嗎？

李/ 現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了，發(fā)現(xiàn)的黑洞也至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。但現(xiàn)在經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，歐洲、美國(guó)都發(fā)射了編碼口徑成像衛(wèi)星。雖然他們還是采用舊的編碼孔徑方法，不如我們的直接解調(diào)方法，但是他們的衛(wèi)星已經(jīng)在天上工作了十多年，積累了大量數(shù)據(jù)，所以已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多黑洞，留給我們發(fā)現(xiàn)的空間很小了。因此，我們現(xiàn)在的這顆衛(wèi)星已經(jīng)變得像一座天文臺(tái)，從硬X射線擴(kuò)展到軟X射線、中能X射線等很寬的波段。

運(yùn)氣，狀態(tài)，好團(tuán)隊(duì)

國(guó)天/ 您認(rèn)為這顆衛(wèi)星能夠取得新的發(fā)現(xiàn)嗎？

李/ 它有很好的成像性能，但是能否取得新發(fā)現(xiàn)，某種程度上也取決于運(yùn)氣。如果有新的爆發(fā)現(xiàn)象，也許能夠取得新的發(fā)現(xiàn)。這首先要求我們的儀器要爭(zhēng)氣，能正常地工作。我得到的消息是，三個(gè)儀器現(xiàn)在狀態(tài)都是正常的，這是很好的一個(gè)消息。第二，我們需要很好的天體物理隊(duì)伍，能夠從這些數(shù)據(jù)中充分挖掘出好的物理結(jié)果。我們現(xiàn)在已經(jīng)有了這樣一支很好的隊(duì)伍。第三，還要靠點(diǎn)運(yùn)氣。

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獨(dú)家技術(shù)？

國(guó)天/ 國(guó)外有無(wú)應(yīng)用直接解調(diào)方法？

李/ 美國(guó)曾有大學(xué)做過(guò)樣機(jī)，也曾經(jīng)有人提出過(guò)相關(guān)建議，但他們沒(méi)有做，因?yàn)槲覀冎袊?guó)的HXMT已經(jīng)上馬了。他們走的是另外一條路線，想辦法在硬X射線波段實(shí)現(xiàn)聚焦成像，也取得了很大的成績(jī)。

目標(biāo)！最前沿！

國(guó)天/ 在HXMT的基礎(chǔ)上，我們?cè)谟瞂射線空間天文方面還將開(kāi)展哪些工作？

李/ 在黑洞方面，HXMT的后續(xù)計(jì)劃已經(jīng)有了，現(xiàn)在正在努力爭(zhēng)取國(guó)家支持，這個(gè)計(jì)劃名為“X射線時(shí)間和極化探測(cè)器”。它引起了歐洲同行極大的興趣，他們希望能夠參加進(jìn)來(lái)。我們希望能在十年左右的時(shí)間內(nèi)發(fā)放一個(gè)更大型的硬X射線望遠(yuǎn)鏡，從而真正走到世界最前列。我們希望通過(guò)國(guó)際合作來(lái)實(shí)現(xiàn)，但以中國(guó)為主導(dǎo)。經(jīng)過(guò)20年發(fā)展，有些新的探測(cè)器都是我們自己研發(fā)的，包括CCD，而且性能很好，處于國(guó)際最前沿。所以對(duì)于后續(xù)工作，我們已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)，第一是我們的隊(duì)伍，是非常好的，又很年輕。第二是我們的技術(shù)。我希望能通過(guò)HXMT的成功，讓我們真正走到相關(guān)領(lǐng)域的最前沿。

（原標(biāo)題：專訪李惕碚 | 二十年磨一硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡）