6月15日11時，中國首顆空間望遠鏡衛(wèi)星——硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”，搭乘長征四號乙運載火箭，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鏡衛(wèi)星之一，將肩負起高精度探測宇宙中黑洞和中子星的使命。

事實上，“慧眼”原本是中國計劃中的第一顆天文衛(wèi)星，也是計劃中世界上第一顆硬X射線望遠鏡衛(wèi)星，卻因為長達20多年的論證和經(jīng)費籌措過程，升空時間一再推遲，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射線望遠鏡NuStar更是揭開了不少關(guān)于黑洞的謎團。“遲到”的“慧眼”，將與這些同行們競爭兼合作，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、強磁場、強引力場等極端物理條件相關(guān)，是研究黑洞、中子星等天體性質(zhì)的主要手段。地球大氣會吸收X射線，所以對天體的X 射線觀測只能在地球大氣之上進行。人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞，天鵝座X-1，就是通過X射線探測到的。而X射線中波長較短、能量較強的頻段，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”（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方面的新工作：

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

二是會對一批比較亮的中子星和黑洞做定點的觀測，“一次看很長時間，積累足夠統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)”，有可能對于中子星和黑洞的性質(zhì)，如中子星的磁場、質(zhì)量，黑洞的質(zhì)量、自轉(zhuǎn)等，給出新的測量結(jié)果，了解他們?yōu)槭裁从懈鞣N各樣的活動性。

三是每年可能會發(fā)現(xiàn)幾十個到上百個伽馬射線暴，如果其中的一些事例和引力波的事例存在聯(lián)系，那將是很重要的進展。“比如說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，這個時候我們就會中斷常規(guī)任務(wù)，去對這些目標(biāo)進行比較詳細的觀測。”張雙南說。

“由中國開拓硬X射線巡天的機會正在迅速喪失”

其實，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”的一項重要技術(shù)問題，這臺計劃中的望遠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射線望遠鏡衛(wèi)星“自由號”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，直接解原始的測量方程實現(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“物美價廉”成像技術(shù)的非位置靈敏硬X射線探測器，通過高空氣球?qū)诙春蜻x體天鵝座X-1進行掃描觀測，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建議將“空間硬X射線調(diào)制望遠鏡（HXMT）”項目納入“九五”重大科學(xué)工程。然而，新的技術(shù)需要經(jīng)過長時間的論證，該項目在國內(nèi)遭到反復(fù)的質(zhì)疑，直到李惕碚團隊借助國外的衛(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，HXMT的兩個競爭者，使用傳統(tǒng)成像技術(shù)的歐洲INTEGRAL望遠鏡和美國SWIFT望遠鏡已分別于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)制望遠鏡，計劃2010年發(fā)射上天，實現(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)新項目，研制硬X射線望遠鏡”。

通過了技術(shù)論證，HXMT卻又卡在了經(jīng)費這里。經(jīng)原國防科工委委托中國國際工程咨詢公司評估，HXMT工程需要人民幣10億元。“10個億的經(jīng)費，財政部只承擔(dān)8個億，剩下2億要我們自籌”,李惕碚曾于2009年告訴媒體。當(dāng)時，他們從“973”項目、“十一五”項目、中科院、清華拿到的經(jīng)費，加上清華的借款，尚不足8000萬元。在經(jīng)費問題難以解決的情況下，HXMT的立項日程一再延后。

“聽說經(jīng)費問題在財政部、國防科工局和中科院之間扯皮。”李惕碚當(dāng)時說道。

“硬X射線是有待人類巡天開拓的最后一個電磁波段，由中國開拓硬X射線巡天的機會正在迅速喪失。” 李惕碚心急如焚。“就好像是已經(jīng)叫起跑了，卻又硬生生拉扯著強迫我們停了下來，這樣子還叫我們怎么去爭第一？”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，使用更先進成像技術(shù)的NuSTAR望遠鏡立項。

美國NuSTAR望遠鏡。

NuSTAR在2012年6月發(fā)射成功。通過對高能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項目正式立項。如今的“慧眼”，重約2.5噸，載荷重量981公斤，其上同時安裝了高、中、低能三組X射線望遠鏡，實際上是一座小型空間天文臺。

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)計師盧方軍介紹，這顆衛(wèi)星首次實現(xiàn)了1－250keV的能區(qū)全覆蓋。

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

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)光纖光譜天文望遠鏡）和貴州“大鍋”FAST（500米口徑球面射電望遠鏡），共同搭建起了中國空間探測的全新時代。

國際上那些“難產(chǎn)”的天文望遠鏡，美JWST成 “跳票之王”

“慧眼”不是第一臺“難產(chǎn)”的天文望遠鏡，也絕非最后一臺。美國天文物理下一個“希望之星”詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）就勘稱 “跳票之王”。自1989年提出哈勃望遠鏡繼任者的概念以來，JWST的設(shè)計功能不斷疊加，牽涉多來越多的機構(gòu)，經(jīng)費一路直飆到88億美元，光前期設(shè)計經(jīng)費就突破20億美元，幾乎吃光了這20多年來NASA的家底。如今，在軌27年的哈勃望遠鏡早已超期服役，而JWST仍在最后的測試階段。

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期。

“跳票之王”詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）

而就在此時此刻，國際天文學(xué)界還在為另一臺“難產(chǎn)”的天文望遠鏡頭疼。中國、美國、加拿大、印度和日本計劃在夏威夷的莫納克亞山頂峰聯(lián)合打造一臺史無前例的超大光學(xué)望遠鏡“三十米望遠鏡”（TMT）。這個簡單粗暴的名字，點出了這臺望遠鏡一目了然的優(yōu)點：口徑大，直接從現(xiàn)在的10米級別跳到了30米級別。鏡面越大，可以收集的光子數(shù)就越多，三十米望遠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)”項目耽擱掉的時間，對于浩瀚的宇宙來說或許不值一提，但對于為這些項目傾注心血的科學(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，次年便將探測器發(fā)射上天，測得了第一個宇宙X射線源的位置；于是NASA立即認(rèn)識到它的重要意義，4年后便將第一顆天文衛(wèi)星Uhuru送入太空，實現(xiàn)了X射線巡天的開拓。”2009年，李惕碚在接受采訪時，曾再一次講到這個他重復(fù)了無數(shù)遍的例子。