《电子技术应用》

我国成功发射首颗X射线调制望远镜卫星“慧眼”

2017/6/16 19:07:00

  2017年6月15日11时00分,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”,这是我国首颗大型X射线天文卫星,同时此次发射还搭载了国内国外3颗小卫星。

  硬X射线调制望远镜卫星设计寿命4年,承载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测仪,通过巡天观测、定点观测和小天区扫描3种工作模式,能够实现宽波段、高灵敏度、高分辨率的X射线空间观测。卫星成功发射和正常运行后,将使我国在X射线空间观测方面具有国际先进的暗弱变源巡天能力、独特的多波段快速光观测能力等,推动我国高能天体物理研究进入世界先进行列。

  硬X射线调制望远镜卫星工程是由国防科工局和中国科学院联合组织实施的空间科学项目。卫星、运载火箭分别由中国航天科技集团公司中国空间技术研究院、上海航天技术研究院研制,地面测控系统由西安卫星测控中心负责,中科院国家空间科学中心、遥感与数字地球研究所和高能物理研究所分别负责地面应用系统建设及卫星数据接收、处理、分发和科学应用。这是长征系列运载火箭的248次飞行。

  【延伸阅读】

  今夜开始,硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”为您直播超长“太空舞台剧”

  深邃而神秘的太空从不平静。星辰大海中日复一日的斗转星移、绕行伴飞,黑洞张开大嘴吞噬光线,超新星突然爆发、中子星意外形成,恒河沙数的各类天体在太空这个大舞台上无时无刻不上演着一幕幕“太空舞台剧”。

  观看“太空舞台剧”不仅是无数天文学家、物理学家梦寐以求的愿望,也是数千年来人类的共同愿望。6月15日,我国第一颗天文卫星“中国哈勃”——硬X射线调制望远镜卫星成功发射。填补了我国轨道观测的空白,使中国跻身于太空观察员俱乐部,中国的科技人员将借助这颗望远镜卫星对宇宙中的各类硬X射线进行近距离观察。

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  HXMT卫星示意图

  早在几千年前,人类就开始肉眼观测星空,试图找出它们的运行规律。后来又发明了各类天文仪器,借助这些仪器设备,人类将“欲穷千里目”变为了现实。当前,人们可以利用地基观测和轨道观测等手段对天文现象进行观测。地基观测便是我们熟知的在地球上建立天文台,通过各种天文望远镜,针对可观测到的天体进行长时间各种的图片及数据收集。

  在宇宙中,脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等都会射出X射线,如果可以接收到这些射线加以分析,就能勾画出这些天体的轮廓,对人类探索太空具有重要意义。航天科技集团五院西安分院硬X射线调制望远镜卫星数传分系统技术负责人许兴介绍,之所以要将硬X射线望远镜卫星发射到几百公里之外的轨道,是因为地基观测仍然存在很多不足,比如X射线穿越地球大气层时会出现严重衰减,地面观测的准确性、全面性就大打折扣。

  由我国自主研制的第一个天文卫星则是“前排VIP观众”,是世界上灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜卫星,有望发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体。

  中国人第一次把天文望远镜搬上了太空轨道,除了得益于发射技术和测控技术外,更得益于高端的卫星数据传输技术。

  我国硬X射线调制望远镜卫星将在轨服役4年,这4年里,它将一刻无休地进行观测,这首先就要求数传分系统这个“太空信使”身体倍儿棒。太空中的强辐射会对卫星的敏感器件等产品的寿命造成影响,为了让卫星达到设计寿命,研制人员在卫星容易受辐射影响的部位加厚防辐射包裹,类似孕期的准妈妈常穿着防辐射服保护腹中的宝宝一样。太空环境中这一层威胁还较容易得到化解。免于单粒子翻转对卫星芯片等产品的影响要复杂和艰难得多。

  硬X射线调制望远镜卫星基本情况

  作为我国自主创新的重大科学工程,硬X射线调制望远镜卫星填补了我国空间X射线天文卫星研制的空白,推动了空间技术的发展,实现了我国天文观测由地面观测到天地联合观测的跨越,树立了卫星研制工程与科学、工程与技术紧密结合的典范,铸就了我国天文学发展史上的里程碑。

  硬X射线调制望远镜卫星于2011年3月由国防科工局与财政部共同批复立项,由航天科技集团公司五院抓总研制。

  硬X射线调制望远镜卫星构型:卫星本体呈立方体构型,总质量约为2500 kg,其中载荷重量981 kg。

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  HXMT卫星在轨运行示意图

  主要科学目标:

  (1)通过对银道面、银心和核球的大天区扫描巡天和监测,发现新的高能变源和已知高能天体的新活动。

  (2)通过对河内黑洞和中子星进行长期高频次监测,理解黑洞和中子星系统的活动和演化机制。

  (3)通过对高流强河内黑洞和中子星进行高统计量观测,理解吸积黑洞和中子星系统的基本性质。

  (4)利用其扩展到200 keV-3 MeV能段的探测能力,获得新的伽马射线暴及其它爆发现象的能谱和时变观测数据,理解高能剧烈爆发天体的基本属性,研究宇宙深处大质量恒星的死亡以及中子星并合等过程中黑洞的形成。

  独特之处:

  (1)大天区、大有效面积的宽波段X射线扫描巡天观测能力,可以更有效地发现处于暴发态的X射线暂现源,在国际上首次系统性地获得银河系内高能天体活动的动态图景,发现大量新的天体和天体活动新现象,从而更深入地理解X射线双星的长周期演化和暴发机制。

  (2)大面积、宽波段、高时间分辨率、高能量分辨率的定点观测能力,可以高统计量地研究X射线双星的多波段X射线快速光变以及在低能段的能谱快速变化,理解中子星强磁场和黑洞强引力场中的物质动力学和高能辐射过程。

  (3)硬X射线/软γ射线能段国际上最大面积的探测器,使HXMT成为这一能段天空中最灵敏的伽马射线暴探测器和引力波电磁对应体监测器。

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  硬X射线调制望远镜卫星科普知识

  1、 为什么要到太空进行观测?

  地球大气对X射线是不透明的,只有在太空进行观测,才有可能探测到来自天体的X射线。

  2、HXMT卫星的科学意义是什么?

  硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星是我国第一颗空间X射线天文卫星,将实现1-250 keV能区的大天区巡天和定点观测,同时监测0.2-3 MeV的暴发现象。HXMT将会对银河系进行高灵敏度、高频次的宽波段X射线巡天,在国际上首次系统性地获得银河系内高能天体活动的动态图景,发现大量新的天体和天体活动新现象;HXMT具有独特的研究X射线双星多波段X射线快速光变的能力,预期可以在黑洞和中子星双星的研究中获得大面积新成果;HXMT在硬X射线和软伽玛射线能段监测伽玛射线暴,其接收面积十倍于目前国际上最好的设备,从而大幅提高在该能区探测伽玛射线暴、搜索引力波电磁对应体的灵敏度。

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  双星系统吸积过程示意图

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  伽玛射线暴喷流示意图

  3、HXMT卫星的名称由来?

  HXMT卫星叫“慧眼”。科学家团队及卫星工程研制团队为卫星酝酿了6个名字:凤舞、天巡、星海、慧眼、仙女、天镜。通过网上投票的方式,最后从排名靠前的3个名字中选择了“慧眼”。命名原因如下:一是HXMT科学家团队的心愿,用来纪念我国天体物理奠基人之一何泽慧院士,也希望这架空间望远镜能如她的眼睛一样,寻找高能天体的美丽风景;二是祝愿HXMT慧眼如炬,能穿过星际物质的遮挡发现黑洞,也表示它是科学家利用智慧打造的观天利器。

  4、HXMT卫星有哪些预期成果?

  预期可能在三个方面取得比较重要的进展,一是对银河系巡天的工作,预期会发现一批以黑洞和中子星为主的新的天体源,二是会对一批比较亮的中子星和黑洞做定点的观测,有可能对于中子星和黑洞的性质,如中子星的磁场、质量,黑洞的质量、自转等,给出新的测量结果,了解他们为什么有各种各样的活动性,三是预期每年大概会发现几十个到上百个伽马射线暴,如果其中的一些事例和引力波的事例存在联系,那将是很重要的进展。不过这些都是预期的科学成果,但是从目前已有的空间天文望远镜或地面观测站来看,他们取得的很多重要科学成果往往不是事先预期的,如哈勃望远镜十大重要的科学发现从来都没有出现在预期结果清单中,因为宇宙比我们想象的更复杂更奇妙。

  5、未来我国还有哪些天文卫星?

  现在立项的还有SVOM(Space Variable Objects Monitor,空间变源监视器),是中法合作的伽马射线暴专用卫星,计划2021-2022年升空。当然要是按我们的计划可以更早,但法国每年的经费很有限,甚至原本说要2023年才行,后来经过艰苦的谈判才谈到2021-2022年。不过2021-2022年其实是个非常好的窗口,因为届时地面引力波探测装置将达到最佳灵敏度,是搜寻电磁对应体的最佳时机。另外也能够接替超期服役的Swift,更好地显示出我们的独创性和重要性。没有立项但是现在还在努力的,包括观测太阳的太阳极轨望远镜、先进天基太阳天文台,寻找地外行星的系外类地行星探测计划,观测射电波段的空间毫米波VLBI阵列,以及针对软X射线的广角望远镜爱因斯坦探针,它们都是中国科学院空间科学先导专项中的背景型号,其中爱因斯坦探针和先进天基太阳天文台这两个小型空间天文卫星极有可能在2021-2022年左右发射运行。


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