借一双“慧眼”，将黑洞看得真切

黑洞，这个词对于大部分人来讲并不陌生。许多以时空、宇宙为题材的电影作品，都出现过它的名号。

30名研究人员耗时一年，用数千台计算机联网进行精确模拟，终于在《星际穿越》中大胆勾勒了黑洞的样子

图源：sina.com

虽然是荧幕中的常客，事实上，我们对黑洞还知之甚微。它难以言喻的神秘、强大而诡异的美感，不光只是艺术创作的灵感源泉，更是人类智慧进步的驱动力。一点一点掀开它的面纱，或许会使我们对宇宙、生命产生完全不同的认知。

引力的神秘孩子：黑洞和中子星

一颗苹果的落地为人类带来了“引力”的概念，而也正是它，在极端宇宙中孕育了各种神奇的天体。

当一颗大质量恒星以绚烂的超新星爆炸结束自己的生命后，残留质量如超过了太阳的1.4倍，就难以抵抗自身引力的拉扯，坍缩成了体积小、质量大、密度高的中子星。如果超过了太阳的3-4倍呢？那就厉害了！引力将狂暴地席卷一切，彻底坍缩为“黑洞”。

中子星和黑洞。一颗中子星可能只有一个小城市那么大（典型直径20km），但质量却可能是地球的几十万倍以上。

图源：《活捉黑洞：中国慧眼看到极端宇宙》

1783年，英国剑桥大学的学监约翰·米歇尔开了个清奇的脑洞，利牛顿公式他计算了逃离地球和太阳引力的速度，并推论如果一个质量足够大且足够紧致的恒星，其强大的引力场会使星体上的光都无法逃脱，也无法观测。十余年后，法国数学家拉普拉斯也得出了类似的推论，并将其命名为“暗星”（Black Star）。这就是200多年前，我们对“黑洞”最初的认识。

这个概念直到爱因斯坦发表广义相对论，有了引力对光的协调影响的理论，才开始被世界接受。从此，它在科学家们的演算纸中，以数学模型的形式成长了起来，逐渐具有了更丰富的物理内涵。

上世纪60年代脉冲星（以均匀时间间隔辐射脉冲的中子星）的发现，证实了中子星的存在。原来一颗恒星真的可以坍缩至如此小！那拥有更大质量的恒星更剧烈的坍缩也不是不可能的了。这也大为振奋了深信“黑洞”（Black Hole，脉冲星发现后不久，就被一位美国科学家正式命名了）存在的科学家们。

第一颗脉冲星的发现者乔斯林·贝尔

脉冲星的发现被誉为20世纪60年代天文学“四大发现”之一

图源：iflscience.com

被称为“宇宙灯塔”的脉冲星示意图

图源：ech.qq.com

很快，世界第一颗X射线天文卫星乌呼鲁（Uhuru，原意是“自由”）在1971年为人类带来了“黑洞”存在的证据。它捕捉到的一个强X射线源，是一个不可见的、质量是太阳约10倍的致密天体——天鹅座X-1。如此庞大的质量，让科学家们认定它为黑洞无疑。

世界第一颗X射线天文卫星“乌呼鲁（Uhuru）”

图源：baike.baidu.com

经过几百年的努力，我们已经将极端宇宙大门推开了一丝缝隙，感受到了门后世界的浩大和无尽神奇。理解“黑洞”，可能将左右人类对宇宙未来的认识和预测；而中子星作为天然的高能加速器，也可帮助我们进行无法在地球上的加速器开展的研究。不过，所有对于它们这样那样的推论和猜想，都需要用“看”到的实际证据来验证。

迢迢黑洞，一“线”牵

黑洞在宇宙中设下了“引力陷阱”，连光都会闷不吭声地掉进去，这样决心低调到骨子里的天体，叫人怎么能“看”清楚呢？

引导我们走近它的关键，就是X射线。

用一个比较简单易懂的说法：长期在宇宙中“岁月静好”的黑洞却有一个天生的习惯，那就“贪吃”。当它旁边有物质存在时，霸道的引力会将这些物质统统“吃掉”。大快朵颐期间，由于它“嚼”得实在是太激烈了（毕竟引力技能满点！），带电粒子会在这样的高温、高密度、强磁场、强引力场等极端物理条件下产生高能辐射，这个时候黑洞就“亮”了！

不过发出的光并不是可见的光，而是比其高能成千上万倍的X射线，甚至是γ射线。一般意义上，辐射出的X射线能量越高就意味着越靠近黑洞。

贪吃的黑洞

图源：《活捉黑洞：中国慧眼看到极端宇宙》

不同物理条件的天体，发出的电磁辐射的性质不尽相同。正因如此，通过研究宇宙X射线可帮助我们反推黑洞的物理状态。鉴于地球大气会将这些高能X射线吸收，所以卫星成为了最重要的观测工具。

1962年，美籍意大利裔天文学家里卡尔多·贾科尼利用探空火箭，意外发现了除太阳以外的第一个宇宙X射线源——天蝎座X-1，从此开启了X射线天文学。在“乌呼鲁”正式树立起里程碑后，从20世纪七十年代始，包括英国、美国、荷兰、日本等多个国家，都相继发射了一系列的X射线天文卫星，迈向了深空。

第一个探测宇宙X射线的实验

Giacconi et al., Phys. Rev. Lett., 9, 439 (1962)

图源：ihep.cas.cn 《仰望星空—探索黑洞的历程》

而之前被送往宇宙的诸多卫星，大多都“专情”于波长较长、能量相对较低（0.1 keV-10keV）的软X射线波段。虽拥有很高的灵敏度，却容易饱和，较擅长观测“安静”的黑洞。而那些迸射出波长较短、能量相对较高（10 keV -1000 keV）硬X射线的“暴躁”黑洞，容易被它们所错过。

和软X射线观测相比，硬X射线观测可以摆脱热辐射的影响；和γ射线观测相比，由于光子的流强足够高，更易于被观测，可用于黑洞附近区域的物理性质及变化的详细研究，这也让其也成为了X射线天文观测发展的一个重要方向。而最新的一颗同时拥有高灵敏度和分辨率的硬X射线望远镜卫星HXMT，就是在中国诞生的。

（本图为仅为示意）

终得“慧眼”，开启一场伟大的宇宙探索

20世纪80年代，李惕碚、顾逸东、吴枚等第一批推动我国空间天文和其他空间科学探测的科学家出现了。通过不懈努力，并在著名核物理学家何泽慧先生的大力支持下，中国第一个用于空间高能天文观测的硬X射线望远镜，由高空气球“HAPI-1”送入了33千米的高空，飞行了8小时，实现了平流层高度上的天体X射线观测。

何泽慧先生在香河气球发放场

图源：ihep.ac.cn

不过X射线，特别是硬X射线，波长极短、能量极高，如是普通的光学天文望远镜，射线会直接撞击或者穿透镜面，无法发生反射和折射，进而无法成像。虽然编码孔径成像技术和掠射式镜面技术解决了这个问题，但运用这两种方法制造的望远镜都十分复杂和昂贵，对于当时中国的工业和科技水平来讲都非常困难。

困局在1992年被打破了。李惕碚院士和吴枚研究员创新性的提出了直接调制成像方法，这种新的算法即使无法实现聚焦，仍可有效地将调制后的信号还原成图像。结合扫描探测技术，基于直接解调制成像法的硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）的建议于1993正式提出。但由于太过“神奇”，经过了长达18年艰辛的理论、实验和数据分析工作，终于于2011年迎来了立项。遗憾的是，同年何泽慧先生与世长辞，为纪念先生，HXMT升空后被赋予了另一个名字——“慧眼”。

左：球载硬X射线望远镜HAPI-4，对直接调制成像方法进行了验证

右：1994年9月HXMT的项目建议书

HXMT卫星首席科学家张双南研究员曾介绍到，十八年间，科学前沿以及X射线探测技术都有了较大的变化。所以，对这颗卫星的研究目标和手段也进行了调整，能区范围已经扩大到了1~250keV。不同能段的观测任务被分别分配到了高、中、低能望远上，其中最为受到关注的，则是高能望远镜上的18个主探测器。

“慧眼”的18个主要探测器

这18个主探测器每个直径19cm，总面积高达5000cm²，是目前世界上面积最大的空间X射线探测器阵列。它担任着高能能区，也就是硬X射线波段的探测任务，为我们捕捉光子的能量和时间等信息。之所以它可以敏锐的“看到”硬X射线，其核心部件——碘化钠和碘化铯的复合晶体可谓是功不可没。

碘化钠和碘化铯是两种对X射线非常敏感的晶体，它可以将“高深”的X射线“语言”转化为探测器可以读懂的“语言”（荧光信号）。然而，想将这样大面积且将多种厚度不同的晶体光导材料进行高质量的耦合，并实现在良好的抗震性能和密封性的基础上，达到世界一流的分辨率，是十分困难的。可以说，探测器是否优越和稳定，最终取决于封装工艺。

满足机械抗震指标是基础，实现高分辨率是核心，这需要拥有雄厚的技术功底。虽面临着国外技术和产品的“封杀”。但最终在负责HXMT高能望远镜的中科院高能物理研究所研制团队和北京滨松光子技术股份有限公司的共同努力下，经历了一系列艰辛的过程后（29轮试制，制作了30多个样品），终于解决了同时满足整体性能及抗震指标的大面积复合晶体封装问题，达到了国际同类产品先进水平。

滨松5英寸光电倍增管

HXMT高能望远镜的主探测器（右下：复合晶体）。探测器读出端采用的是滨松公司的5英寸端窗式光电倍增管，除了良好的工作稳定性，抗震性能也是核心指标。为了保证产品整体性能达标，滨松公司也专门成立了抗震性能研发小组，在有限时间内，保质保量完成了供货，并额外提供了样品，保障了项目的顺利进行。同时滨松公司生产的硅光电倍增管（MPPC）也被使用在了慧眼卫星的轨标定探测器中。这是硅光电倍增管在世界范围内首次被用于卫星项目中，也验证了其在空间使用的可靠性。

滨松MPPC产品（部分）

当然，历经艰难的不止只有高能团队，中能、低能望远镜及地面等团队都经受了巨大的考验，每一步的进展都伴随着起起伏伏，一条长征路走得艰辛，却也是单单一个“艰辛”所无法去涵盖和形容的。终于，伴随着HXMT的正式诞生，几代中国空间天文学研究者的梦想开出了珍贵的花朵。

硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）——“慧眼”

2017年6月15日，HXMT卫星在酒泉火箭发射中心顺利升空，在轨测试期间，通过多天区的扫描成像观测和特定天区的定点观测，以及伽马射线暴监测等测试，各项功能和性能都得到了验证，并取得了银道面扫描监测、黑洞及中子星双星观测、伽马射线暴、引力波电磁对应体探测、太阳耀发、特殊空间环境事件等初步科学成果。

其中，最为引人注目的，则是2017年8月对引力波GW170817事件电磁对应体的成功监测，这也让人类在引力波观测中终于变得“耳聪目明”，慧眼卫星对其高能段的辐射给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献。慧眼卫星团队反应迅速，在全球70多个团队中，中国慧眼望远镜是第七个报告成果的，在本次引力波事件最重要的发现论文的正文部分有‘慧眼’的观测结果。此外，“慧眼”的详细分析结果以独立论文的形式于2017年10月16日同步发表在《中国科学：物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。

HXMT卫星成为了中国空间X射线天文的开端，实现了宽波段、高灵敏度、高空间分辨率X射线巡天、定点和小天区观测，在世界现有X射线天文卫星中，具有先进的暗弱变源巡天能力、独特的多波段快速光变观测能力等优势，也将中国正式推上了世界空间天文的大舞台。

2018年1月30日，HXMT卫星正式完成了在轨交付，如今它也正翱翔于宇宙，以一双“慧眼”，以期为人类探寻黑洞，以及更多的深空奥秘做出贡献。

载梦翱翔于宇宙的“慧眼”卫星

参考文献：

硬X射线调制望远镜卫星：巡天监测，刷新人类认知极限，倪伟波，《科学新闻》空间科学先导专项特刊；

仰望星空——探索黑洞的历程，李惕碚，中国科学院高能物理研究所官网；

透视宇宙的眼睛——“硬X射线调制望远镜”，卢方军，中国科学院高能物理研究所，《国际太空》2009年第12期；

“黑洞，我来啦！”:“慧眼”空间X射线天文卫星自述，熊少林，中国科学院高能物理研究所，科学大院公众号荔枝网转载；

“慧眼”硬X射线调制望远镜到底能做什么？，杭添仁，知乎；

【人民日报海外版】人类首次“看到”引力波事件 中国“慧眼”做出重要贡献，吴月辉，中国科学院高能物理研究所；

《中国科学报》 (2017-11-06 第5版 创新周刊) 探测引力波事件的“中国身影”，高雅丽。