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从最简单的探测器到“慧眼”号卫星,中国用了40年

卢方军

中国科学院高能物理研究所

 

来源丨 SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks)


2007年的时候,时任总理温家宝写过一首非常著名的诗叫《仰望星空》。他在这首诗中说:“我仰望星空,它是那样自由而宁静;那博大的胸怀,让我的心灵栖息、依偎。”这是我们看到宇宙的感觉,我们觉得宇宙肯定是非常宁静的,是一个能够让我们的心灵休息的地方。

 

可是如果用一个X射线望远镜去看宇宙,我们看到的可能是完全不同的一幅图像,我们会看到一个剧烈变化的天空。


用X射线望远镜看到的是激烈变化的天空


这些有着强烈X射线辐射的天体,它们的物理性质也非常极端。这就是我今天想讲的,具有极端性质的天体,其中主要想给大家讲讲我们是怎么探索黑洞和中子星的,或者说中国的科学家在这里面做了一些什么样的努力。

 


黑洞和中子星 


什么是黑洞呢?我相信在座的各位老师和同学应当比我还要清楚,所谓黑洞就是什么东西都出不来。人造地球卫星发射上天后之所以不掉下来是因为它的动能大于地球产生的引力势能。

 

同样,如果一个星体它产生的引力场足够强,以至于物体以光速运动的时候都不能逃离它的引力场,这时我们就看不到来自这个天体的任何辐射,这个天体就会成为一个黑洞

 

打一个形象的比喻,如果把太阳压缩成一个3千米半径的星体,它就会变成一个黑洞,我们会看不到来自太阳的任何辐射。所以黑洞给我们提供了一个极端的引力场环境,让我们做科学研究。

 

黑洞:强引力场


什么是中子星?这是一种大质量的恒星,其质量比太阳要大8到30倍,它的寿命可能在几十亿年,在它生命的晚期,会发生超新星爆发,在爆发的过程中会有一个强大的往里边的冲击力,使它的核心部分塌缩,形成一个非常致密的天体。这样一个致密的天体就是我们讲的中子星。

 

中子星非常致密一立方厘米的重量大概在几亿吨。如果说把地球压缩成一个中子星密度的星体的话,它的直径只有10米,你可以想象它的致密程度。

 

中子星还有一个特点是它有非常强的磁场地球表面的磁场大概是0.5高斯,中子星的典型磁场在10的12次方高斯。也就是说,中子星的典型磁场是地球磁场的2万亿倍我们现在在地面上能够实现的最强的磁场大概只有它的万分之一。

 

中子星:高密度,强磁场


所以这样一个极端的引力场或者极端的磁场环境,为我们提供了一个实验室,去研究一些我们在地面上没法研究的基础物理规律。



为什么要探索极端天体


前面讲过黑洞的引力足够强,以至于光线都不能够逃离它的引力场。那么黑洞一定对周围的时间和空间的结构,或者我们经常讲的坐标系有非常强的影响。在这样一个扭曲的时间和空间里面,物质怎么运动?怎么被加速?加速以后又如何辐射?

 

爱因斯坦创立的广义相对论在现在所有的检验里面都证明了它是正确的,但是我们所有的检验都是在弱引力场中做的。在强引力场中,特别是量子力学都是在一个非常高能量的环境里面检验的,这时广义相对论还成不成立我们能不能够寻求对现在的物理框架的一个突破?

 

对中子星来说,它的高密度、强磁场,对科学研究也非常重要。在这样高密度的情况下,物质是处于什么样的状态呢?我们知道如果说物质是一个气体,它是可以压缩的;如果是一个液体,它压缩起来就非常困难;如果说是一个固体,基本上就不能够压缩。那么在这样高密度的情况下,我们给了它一个压力以后,它的体积会怎么变化?这和一些物理过程紧密相关。

 

它的磁场很强,我们现在通过测量大概估计它可能是地球磁场的2万亿倍。到底有多强?到底能够多强?最强会有多强?在这么强的磁场里面会有什么物理规律让我们可以检验呢?

 

举一个例子,现在比较前沿的研究认为真空会发生涨落,就是真空并不是真的真空,它可能里面会产生一些虚粒子对,比如正负电子对,它很快就会湮灭(形成虚光子),所以我们看不到来自真空的任何辐射(信息)。

 

可是如果有强的磁场存在,有了电荷,所以离子要顺着磁力线运动,而正电荷、负电荷又会使得这个运动的方向不一样,那正电子和负电子就没有机会再碰撞一起。在这种情况下,就为我们提供了研究真空涨落的可能性。这就是我们探索这些极端天体所具有的非常重要的科学含义。

 


X射线观测


黑洞和中子星系统都是强烈的X射线辐射天体,X射线观测是了解它们的属性,研究其中的物理规律的最为有效的探针。

 

我们在地面上虽然也可以看到星星的光学辐射,因为我们的眼睛也是对光敏感的一个探测器。但是要研究天体的X射线辐射,我们必须要超越稠密的大气层,到大气层的顶部或者是到太空里边没有大气吸收的情况下,去研究来自天体的X射线辐射,从而进一步去了解这里面所隐含的物理规律。

 

除了光学和无线电波,大部分的电磁辐射均无法穿透大气层



"慧眼"卫星


中国从20世纪70年代开始进行X射线天文的观测,到现在差不多有40年的时间了。早期的观测条件很差,是用一个高空气球把一个探测器运到大概40千米的高空进行相关天文研究。这个气球的体积在60万~100万立方米,它可以把两吨重的载荷运到40千米的高空。同时我们也在用一些国外的卫星数据进行相关的科学研究。

 

中国早期X射线天文观测


在这样长期的气球飞行试验中,我们积累了很多经验、数据和物理思想。1993年,我到高能所读博士,我的导师当时提出了要建造一颗X射线天文卫星的想法,我们就开始做这个卫星项目的预研、论证。一直用了18年,2011年国家才开始批复立项。

 


批复立项以后,我们就开始建设。2017年,卫星发射上天以后,被命名为“慧眼”卫星

 

这是“慧眼”卫星和有效载荷的一个简单的介绍。这颗卫星重2.5吨,运行在离地面550千米的高空。它会经过北京的上空,因为它的倾角是43度。它的设计寿命是4年,上面有高能、中能、低能等各种探测器。

 

“慧眼”卫星和有效载荷


这是我们卫星工程节点的介绍。从2011年3月国家正式批复立项,到年底,我们从方案阶段转入初样阶段,开始做硬件的研制了。本来国家给我们4年时间把它完成,具备发射条件,结果我们用了6年时间,延长了2年,这2年的过程当然是非常艰难的。大家从我的头发也能够看得出来,这几年我的头发都变白了。

 


2017年4月,卫星具备发射状态以后,我们就成立了发射试验队,我从我们所长手上接过了试验队的这面旗帜,我是试验队的队长兼党支部书记。

 

成立发射试验队


4月20日,我们首批队员拿着旗子就到达了酒泉卫星发射基地,4月22日,我随第二批队员一起到达了东风航天城。东风航天城是我国发射卫星一个非常重要的地方,神州系列飞船都是在东风航天城这里发射的,这里也被称为酒泉卫星发射基地。

 

4月20日,首批试验队员到达酒泉卫星发射基地

4月22日,第二批试验队员到达酒泉卫星发射基地


虽然前面的研制工作非常艰难,但是我们的卫星到最后的状态非常好。卫星到了发射场以后,状态非常稳定,没有出过问题,那时其实我们的工作安排是比较轻松的,就怕大家忙中出错,把一个造价10亿元的卫星给碰坏了。

 

我们有很多空闲时间,但是这个空闲时间是不能随便活动的,有两个原因:一个原因是这个发射场在戈壁滩的一个绿洲里,你独自外出可能有生命危险;另一个原因是这里是一个军事基地,不能让你随便到处走动,万一你拍张照片发到朋友圈里,很可能国家机密就被你泄露了。

 

所以我们经常把大家组织在一起进行集体活动,比如这是发射基地旁边的狼心山,狼是蒙古族的图腾,所以狼心山是这里很重要的一个景点,这上面还有用于观察的像地堡这样的装置。我们会带领大家去攀登狼心山。

 

攀登狼心山


酒泉卫星发射基地是在沙漠里面的一个绿洲,之所以形成这样一个绿洲是因为我国第二大内陆河、发源于祁连山的弱水河流经这个地方。夕阳西下的时候非常美,水浅浅的,沙洲平平的,给人一种美的享受,是一种对过去的追思。

 

弱水河


这里有人工湖,也有各种精美的雕塑。图片中标注的是彩虹桥,彩虹桥是架在弱水河上面进出这个基地的一个大门,你想进入这个基地就一定要经过彩虹桥,所以彩虹桥实际上有某种标志性的意义。

 

彩虹桥


经过50天左右的工作,6月6日,卫星就装配完成了。当时我们摆pose照相,大家可以看到我们下面这些人站成了“HXMT”的形状。大家很开心,整个卫星测试没有出现任何问题。

 

卫星装配测试完成,集体摆pose


卫星装配完了以后,开始要进入火箭的载荷舱。进入载荷舱以后,我们又和卫星一起合影。载荷外面还贴着国旗。

 

卫星装入火箭载荷舱过程中


卫星装到这个载荷舱里面以后,要运到发射塔架上去,和火箭对接。从卫星的组装厂房到发射塔架有4千米,汽车拉着这个载荷舱大概要走40分钟。它走的很慢,就是怕这个过程中忙中出错。我们这些测试人员是可以坐在大巴车上面跟着的,但是那一天,我们都不约而同地在旁边慢跑,这里面有我们的总指挥、副总指挥,我作为总设计师也跟着大家一起跑。

 

这种心情非常复杂,我取了一个名字叫“送亲”。这真的就好像自己的女儿长大了要出嫁,我们希望它好好地去迎接一个成功的、美满的生活,同时我们还是依依不舍的,因为我参与卫星研制工作24年了。

 

“送亲”路上


2017年,48岁的我在酒泉卫星发射基地给官兵们做报告的时候说,我生命一半的时间都和卫星联系在一起。我当时做的科普报告跟今天的内容不太一样,他们听完以后特别的感谢,觉得学到了很多知识。我说我首先要感谢的是你们,因为你们为我生命一半时间所做的一个项目提供了发射服务。

 

这是在发射当天凌晨5点30分的时候,我们要去值班,要了解卫星最后的状态是不是正常。去之前我们照了一张照片,中间挎了一个斜包的、个子最矮的就是我。

 

发射当日凌晨5:30,载荷岗位操作人员在出发前合影


其实当天晚上大家非常的疲惫,我们一晚上没睡好觉。那天晚上,我写了一篇散文,细述了我参与这个项目,里面经历过的那些让自己难忘的时刻,然后发送到我们发射圈的群里面,与大家一起分享。其实大家基本上都睡不着。我们凌晨四点钟起床,然后吃饭、整理,我们把行李箱都要准备好。

 

6月15日11点,卫星在酒泉卫星发射基地成功发射,当时我们很多同事在发射场都流下了眼泪。后来他们问我,说卢老师,你流眼泪了吗?我回想了一下,说我一滴眼泪也没有流,我说我当时的感觉就是火箭千万别歪呀!别掉下来呀!那种感觉已经不可能说让你放松,虽然火箭发射成功了,但是卫星怎么样还不知道呢。

 

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(CZ-4B)运载火箭成功将硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”发射升空,卫星顺利进入预定轨道


成功发射以后,12点钟,我们吃完饭就要马上赶路去西安。这是我人生写的第一首词,很短。因为词写起来很难,它要讲平仄,又要讲押韵,所以找了首《忆江南》,是最简单的一首词。我是这样写的:“东风远,彩虹留天边。夕阳沙洲弱水绕,狼心山上步维艰,抬首望西安。”

 

我们看到彩虹桥已经是隐隐约约在天边了,这时候我们回想在基地里的岁月,其实也是在回想我们自己和卫星相伴的这些年年岁岁。我们攀登狼心山时的艰难也就象征着我们这些年来和卫星在一起的那些艰难的时刻。克服了困难,不要再怀念过去,我们要赶快赶到西安去,因为我们要到西安卫星测控中心,到那里才能把我们的这些载荷开机,看它们的指标参数是不是正常。

 

到了西安以后,我们打开所有的载荷,上面的科学仪器总共有70台,全部工作正常。到现在为止,卫星工作了一年半多,已经执行了各类观测一千余次也取得了很多的科学成果。

 


我简单讲一下其中几项科学成果。比如刚才讲了,我们的卫星上天就是要去探测极端天体,像黑洞和中子星。比如这是我们研究的一种现象,黑洞具有强引力场,它会使得周围的时空扭曲或者说坐标系变形。如果一个黑洞旋转的时候,它就会带着周围的坐标系一起旋转

 

在这样一个旋转的坐标系里面,物质是怎么运动的,又是怎么加速的,怎么辐射的?黑洞本身不发光,但是物质掉入黑洞的过程中会发出强的X线辐射。那么通过这样一些辐射,就可以了解到底这里面是什么样的时空结构,刚才讲的物理规律怎么去实现。这样一个旋转它会产生一种叫准周期的变化特性,我们叫准周期振荡

 

由于时空拖曳效应,黑洞系统自转会导致周围的物质运动产生准周期特性


2004年,美国哈佛大学的一位科学家P.Kaaret提出来一个比较大的卫星项目。当时美国的RXTE卫星已经运行十年,工作得非常好。他提出来说要做下一代RXTE卫星的继任者,它叫RAE,就是相对论天体物理探索卫星,想探测出黑洞对周围时空结构的影响。

 

他在这个项目说明里放了唯一的一张图,他说我们通过RXTE卫星观测到了黑洞里面的准周期变化,就是前面提到的和黑洞自转、时空拖曳、坐标系扭曲密切相关的这种准周期的行为。它的幅度随着能量是往上走的,但是由于它的能量段有限,不知道往上还会继续怎么走。

 

一般认为,如果光子能量越高,它越起源于离黑洞近的地方,RXTE卫星大概到了30千电子伏以上就不行了。但他希望了解更高能量的地方会有一些什么样的特性,这样对黑洞的了解也会更加深刻。

 

论文截图


“慧眼”卫星可以达到200千电子伏这个信息非常重要,因为几十千电子伏,它可以是热辐射过程,电子还是一个热运动,它不是相对论的运动,到了100千电子伏以上都是相对论性的运动的电子发射出来的辐射。在与黑洞临近的区域,有些什么样的物理过程在发生,为什么在那样的区域会发生这样的过程,通过“慧眼”卫星的观测,我们可以描述物质运动的过程,还可以描述物理规律的变化。

 

黑洞双星MAXI J1820+070不同能量段的功率谱,“慧眼”在150-200keV探测到了显著的准周期振荡(QPO)信号,将对QPO研究的能量上限提高了近1个数量级,打开了在硬X射线能区研究QPO的新窗口


“慧眼”卫星还可以观测中子星的磁场,我们看到了来自中子星的回旋吸收线。著名的物理学家朗道提出,如果磁场足够强的时候,电子绕着磁力线运动,可能它的这个能级是量子化的,这时候通过量子化能到的能级就可以测量磁场的强度。

 

我们以20倍标准偏差(标准偏差就是离开正常的涨落有多少倍,如果这个倍数越高它就越显著)看到这样一个天体,也就是说我们直接测量到了宇宙中最强的磁场

 

GRO J1008-57的回旋吸收线以及回旋吸收线随相位演化情况


在我们之前,美国的卫星和日本的卫星联合起来,他们测到了一个4倍标准偏差,在物理学上,我们一般是以5倍标准偏差作为一个发现的依据。我们要实行观测,当然希望超过5倍标准偏差,我没想到“慧眼”卫星的能力这么强,最后实现了20倍标准偏差,已经远远超过了发现的标准。

 

“慧眼”卫星对中子星的观测还有一些很有意思的事情。我拿这篇文章来讲,是因为这篇文章和中关村中学也有关系,这篇文章的第一作者的“师姐”就在中关村中学的高二学习。一般我们跟着老师学习的时候,都是以“进门”的前后作为区分,谁在前面谁就是师兄或者师姐,后面入门的就是师弟或者师妹。他入学的时候,他的导师已经有了一个4岁的女儿,然后这个4岁的女儿现在在你们的中学读高中二年级,所以她的“师弟”取得了一个非常重要的成果,我想展现给大家。

 

这个成果实际上是描述中子星表面发生热核聚变的过程,这个过程非常有意思,它可以用来测量中子星的半径,我们知道用别的方法可以测量中子星的重量,有了半径和重量以后,我们就可以了解中子星抵抗引力或者抵抗压力的物理过程。

 

“慧眼”在4U1636-536中观测到了单个热核暴期间低能光子对高温电子的冷却效应,而此前的卫星需要叠加十个甚至几十个暴才能得类似结果


“慧眼”卫星在2018年1月8日召开了第一届用户大会,在2018年12月17日召开了第二届用户大会,来自全球的200多位科学家已经成为我们的科学用户,所有科学结果会源源不断地产生。“慧眼”卫星运行得很好,我们预期它还会有好几年的寿命。

 

第一届“慧眼”科学用户大会



未来

 

中国在发展,科学在进步,它一定是一个不断滚动向前的过程。2007年,我和我的同事们一起提出了“慧眼”卫星的后续型号,当时还叫hxmt卫星,我说我们“慧眼”卫星已经提出14年了,2007年的时候还没有正式立项,下一颗卫星一定还会经过非常艰难曲折的过程。

 

eXTP示意图


经过十几年的预研,2018年3月的时候,中国科学院批复了我们做这样一颗卫星,这个项目大概要花费30亿元,是中国牵头的、多国合作的这样一个大型的空间科学的卫星项目。


我们和国外的同类卫星相比,它的能力有数量级的提高,可以说是中国从一个发展中国家到一个大国再到一个强国这样一步一步发展的一个缩影。

 

eXTP能力与国外同类卫星的比较


3月,科学院宣布我们要建造这颗卫星以后,美国的《科学》杂志(全世界最重要的报道科学领域相关成果和动态的一本杂志)发表了一篇文章,说中国在为一个雄心勃勃的X射线天文台磨刀,这个项目将稳固中国在X射线天文领域领导者的地位。

 

美国《科学》杂志专文报道eXTP卫星项目


我是这个项目当时最早的提出者,后来实际上真正推动的时候,我的师兄张双南研究员起的作用比我重要得多,他现在是这个项目的首席科学家,我是他的项目经理。在接受《科学》杂志记者采访的时候,我表达了这样一个想法,我说多年以来,我们都在用欧洲或者美国的卫星数据进行科学研究,现在中国发展了,我们也希望为外国的科学家做出这种基础性的贡献

 

采访文字截图


为什么我说这件事情?中国的科学发展绝对不能只数一数我们发表了多少篇科学论文,因为这只是在收割最后的粮食。真正要让科学健康发展,我们一定要从很初期的一系列概念的构想、仪器的研制、科学的设计、最后的生产到最后的发射运行,构成一个完整的链条。这样,我们的科学才能持续地、健康地、长久地发展下去,才能够取得真正重大的成果。

 

谢谢大家!

本文转载自公众号“ SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks)

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