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“慧眼”硬X射線調制望遠鏡
來源:互聯網

“慧眼”(英文名Insight)硬X射線調制望遠鏡(HardX-rayModulationTelescope,簡稱HXMT)衛星是中國第一個空間天文衛星,是既可以實現寬波段、大視場X射線中國空間站工程巡天望遠鏡又能夠研究黑洞、中子星等高能天體的短時標光變和寬波段能譜的空間X射線天文望遠鏡,同時也是具有高靈敏度的伽馬射線暴全天監視儀。“慧眼”的命名涵義之一是為了紀念推動中國高能天體物理發展的已故科學家何澤慧。

2017年6月15日,HXMT衛星發射成功,開展科學觀測。

2018年1月30日,中國首顆X射線天文衛星“慧眼”正式交付,投入使用

中國科學院高能物理研究所研究團隊利用慧眼衛星開展了X射線脈沖星導航實驗,定位精度達到10公里之內(3倍標準偏差),進一步驗證了航天器利用脈沖星自主導航的可行性,為未來在深空的實際應用奠定了基礎。這一成果于2019年8月21日在美國《天體物理雜志》(增刊)正式刊出。

研發歷史

1993年李惕碚在中科院高能物理所做X射線觀測時,和同事提出了一種新的成像技術——直接解調方法。他們研制的新式硬X射線探測器,搭載高空氣球上天觀測了黑洞,得出了比美國同行好得多的結果。之后,李惕院士順理成章地提出,把這個探測器放到太空中去、也就是“硬X射線調制望遠鏡”(HXMT)的構想。

2000年,“973”項目“天體高能輻射的空間觀測與研究”立項,在隨后的5年里,中國科學院星高能所與清華大學合作對硬X射線調制望遠鏡進行預研,建成了HXMT望遠鏡地面樣機。

2005年,HXMT作為中國第一顆天文衛星納入“十一五”科學規劃。然而基于對新技術的懷疑,一些科學家要求重新評審。于是中科院又組織了多次論證會議,最終HXMT再次得到專家們的普遍認可和支持,中科院2006年7月再次優先推薦HXMT為“十一五”自主空間科學項目。

2005年8月和2007年3月,HXMT作為中國第一臺太空望遠鏡被列入國家《“十一五”空間科學發展規劃》和《航天發展“十一五”規劃》。

2007年3月,中國發布《“十一五”空間科學發展規劃》,提出“自主研制硬X射線調制望遠鏡,計劃2010年發射上天,實現我國空間天文衛星零的突破,在黑洞物理研究等領域取得突破”。世界各大通訊社以及《科學》等媒體馬上進行報道。同年10月,國務院批準《航天發展“十一五”規劃》,要求“優先支持面向重大科學問題的自主創新項目,研制硬X射線望遠鏡”。

2008年4月,原國防科工委委托中國國際工程咨詢有限公司(簡稱中咨工程有限公司)完成了HXMT衛星立項可行性評估,核定衛星工程總經費約人民幣10億元。

2011年3月,硬X射線調制望遠鏡衛星工程由國家國防科技工業局與財政部共同批復立項,正式進入工程研制階段。用戶單位為中科院,中科院將該工程納入空間先導專項計劃。其中衛星運載火箭分別由中國航天科技集團中國空間技術研究院、上海航天技術研究院研制,地面測控系統由西安衛星測控中心負責,中科院國家空間科學中心、遙感與數字地球研究所和高能物理研究所分別負責地面應用系統建設及衛星數據接收、處理、分發和科學應用。

2017年6月15日11時00分,中國在酒泉衛星發射中心采用長征四號乙運載火箭,成功發射首顆X射線空間天文衛星“慧眼”。此次發射任務是長征系列運載火箭的第248次發射。

2018年1月30日,中國首顆X射線天文衛星“慧眼”正式交付,投入使用。

功能特點

慧眼HXMT望遠鏡全稱硬X射線調制望遠鏡衛星(HXMT),是繼中歐合作地球空間探測雙星、“悟空”號暗物質粒子探測衛星和“量子科學實驗衛星”號量子科學實驗衛星之后,中國又一顆重要的空間科學衛星。

慧眼HXMT望遠鏡設計壽命4年,呈立方體構型,總質量約為2500kg,裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器等4個探測有效載荷,可觀測1~250keV能量范圍的X射線和200keV~3MeV能量范圍的伽瑪射線。衛星采用直接解調成像方法,通過掃描觀測可以完成寬波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線成像,具有復雜的熱控保障、對地測控與數傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力。

“慧眼”衛星應用我國科學家首創的直接解調成像方法,實現寬波段、高靈敏度、高空間分辨率X射線中國空間站工程巡天望遠鏡、定點和小天區觀測,在世界現有X射線天文衛星中,具有先進的暗弱變源巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力等優勢。衛星研制過程中,攻克了諸多設計難題,取得了X射線探測載荷一體化設計與實施、慣性空間任意姿態下對地測控與數傳鏈路保障技術等多項技術突破,有力促進了新型元器件、特殊材料制備、載荷結構高精度加工等的發展。

在軌測試期間,“慧眼”衛星開展了多個天區的掃描成像觀測和對特定天體的定點觀測,開展了伽馬射線暴監測等應用測試,驗證了衛星的各項功能和性能,取得了銀道面掃描監測、黑洞及中子星雙星觀測、伽馬射線暴、引力波電磁對應體探測、太陽耀發、特殊空間環境事件等初步科學成果。

工作模式

慧眼HXMT望遠鏡的主要工作模式包括中國空間站工程巡天望遠鏡觀測、定點觀測和小天區掃描模式。衛星發射入軌后,將開展四個方面的空間探測活動:一是將對銀道面進行巡天觀測,發現新的高能變源和已知高能天體的新活動;二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質,加深對致密天體和黑洞強引力場中動力學和高能輻射過程的認識;三是在硬X射線/軟伽瑪射線能區獲得伽馬射線暴及其它爆發現象的能譜和時變觀測數據,研究宇宙深處大質量恒星死亡以及中子星并合等導致的黑洞的形成過程;四是探索利用X射線脈沖星進行航天器自主導航的技術和原理并開展在軌實驗。

科研成果

2017年8月,慧眼HXMT望遠鏡在GW170817引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區,對其伽馬射線電磁對應體(簡稱引力波閃)在高能區(MeV,百萬電子伏特)的輻射性質給出了嚴格的限制,為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制做出了重要貢獻。

2017年10月16日,雙中子星并合產生引力波(GW170817)聯合觀測成果全球發布,在該歷史性事件的全球聯測中,“慧眼”衛星對其高能電磁輻射對應體進行了監測,確定了伽馬射線的流量上限。

2019年10月,科學家利用“慧眼”衛星進行系列觀測,將對黑洞系統準周期振蕩現象研究的能量上限從30keV(千電子伏特)提高到100keV,開啟了研究黑洞系統的新窗口。

2021年7月20日消息,“慧眼”首次清晰觀測到了黑洞雙星爆發過程的全景,揭示了黑洞雙星爆發標準圖像的產生機制;完整探測到了第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程,獲得了耀斑過程中非熱電子的譜指數演化,為理解太陽高能輻射隨時間演化提供了新的觀測結果。

2021年10月,中國科學院上海天文臺觀測高能天體物理組研究團隊利用硬X射線調制望遠鏡衛星(“慧眼衛星”)在著名黑洞雙星天鵝座X-1的軟譜態時探測到88mHz的高能準周期振蕩信號,相關研究工作已發表在《天體物理學期刊》(Astrophysical Journal)上。

相關發現

2020年9月22日,來自中國科學院星高能所消息稱,我國慧眼(HXMT)衛星前不久在高于200千電子伏特的能段,發現了黑洞雙星系統的低頻準周期振蕩(QPO),這是迄今為止發現的能量最高的低頻QPO現象。

現實意義

HXMT的成功發射和運行,將使中國在國際競爭激烈的的高能天體物理觀測領域占有重要的一席之地。

慧眼HXMT望遠鏡所屬的衛星工程是國家國防科技工業局牽頭組織實施的重大空間科學任務。將顯著提升中國大型科學衛星研制水平,填補中國空間X射線探測衛星的空白,實現中國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。該星的投入使用使中國高能天文研究進入空間觀測的新階段,對提高中國在空間科學領域的國際地位和影響力具有重要意義。

“慧眼”衛星的“繼任者”——中國領導的大型國際合作空間項目“增強型X射線時變與偏振空間天文臺”已進入方案設計階段。研制成功后,它將成為2027年后國際領先的旗艦級空間X射線天文臺,其綜合性能相比國際同類衛星有一個數量級以上的提升,將把中國的空間高能天文研究帶入更高水平,將在探索極端宇宙中有更多更重要的科學發現。

2021年8月,認證磁星為宇宙神秘天文現象快速射電暴的一種起源;首次觀測到黑洞雙星爆發過程全景;完整探測到第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程……今年以來,中國“慧眼”衛星的研究成果,頻頻在國際天文學界引起轟動。

參考資料 >

新京報-好新聞,無止境.新京報.2021-08-17

為了這一刻的榮耀,中國人等了24年-Insight-HXMT.Insight-HXMT.2021-08-17

HXMT簡介.中科院高能所.2018-01-30

我國首顆X射線空間天文衛星“慧眼”升空-中國知網.中國知網.2021-08-17

中國首顆X射線衛星“慧眼”投入使用 用于研究黑洞.新華網.2018-01-30

人類首次發現雙中子星引力波 我國這兩位“功臣”參與了觀測.新華網.2017-10-18

中國“慧眼”衛星發布最新科學成果-新華網.新華網.2021-08-17

“太極一號”“慧眼”實踐十號亮成果,還有衛星有望2至3年發射_北京日報APP新聞.北京日報APP新聞.2021-08-17

黑洞雙星天鵝座X-1研究獲進展.今日頭條+中科院之聲.2021-10-31

我國慧眼衛星發現距離黑洞最近的高速噴流_新聞頻道_中國青年網.中國青年網.2020-09-22

張開“慧眼”看宇宙-新華網.新華網.2021-08-17

張開“慧眼”看宇宙-.新華網.2021-08-09

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