不同波长辐射的特征
6月15日，我国首颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜（“慧眼”）在酒泉发射成功，顺利进入了高度550公里、倾角43度的近地轨道，成为了在轨运行的X射线天文卫星大家族的一员。
空间天文是观测与机遇的学科，新的设备新的方法往往引起新的重大发现。“慧眼”加入空间观测队伍，使得空间X射线天文观测手段更加多样，为多波段观测伽马暴、硬X射线银道面扫描、发现新的变源和新的黑洞以提供了新的可能。
极端物理过程的探针
在漆黑的夜里点燃蜡烛，可以看见内外三层燃烧火焰，最外层的火焰颜色最为明亮，最内层的火焰最暗，这是因为最内层的温度最低，最外层的温度最高。火焰温度不同，发出的光的颜色也即波长不同，温度越高波长越短。
蜡烛火焰的温度只有几百摄氏度可以发出可见光，那当燃烧的温度达到上百万摄氏度时情况又将如何？比如太阳的日冕燃烧的温度达到了上百万摄氏度，可以发出波长短到肉眼已经看不见的光，也就是X射线。
X射线与可见光一样都是电磁波。可见光的波长在400纳米—700纳米左右，而X射线的波长小于1纳米，只有可见光的几百分之一。越短的波长意味着拥有更高的能量，可见光的能量只有2电子伏特（eV）左右，而X射线的能量可以达到1keV至几百keV。当其能量在10keV以下时被称为软X射线，当能量达到20keV以上时称为硬X射线。通过捕捉X射线，科学家得以对宇宙中的高温、高密等极端物理环境进行研究。
比如黑洞吸积物质时会形成一个旋转的气体吸积盘。吸积盘中气体高速旋转，摩擦力使吸积盘中心气体的温度达到惊人的高度，并发出强烈的X射线。通过捕捉宇宙中的X射线就可以推断黑洞的存在。1970年发射的第一个X射线天文卫星乌呼鲁(Uhuru)的观测证实了黑洞的存在，而“天鹅座 X-1”是第一个被认定为黑洞的天体，是天空中一个很强的X射线源。
给X射线源“留影”不容易
不同于可见光的观测，因为大气吸收导致X射线无法在地面进行观测，只能将X射线望远镜送入太空进行观测。
1962年贾科尼领导的小组利用探空火箭第一次探测到太阳系以外的X射线源天蝎X-1和X射线背景辐射。这一发现让贾科尼获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
因火箭的探测时间太短，往往只有几分钟时间，科学家们进而采用发射卫星的方式，获得稳定的长时间观测数据。1970年世界上第一个空间X射线天文卫星发射成功并完成了首次X射线巡天观测。
早期X射线观测都是简单地探测来自天体源的光子数目，没有空间分辨能力。而在星系的中心往往存在多个X射线源，需要进行成像观测才能进行区分。1978年发射的Einstein(HEAO-2)空间X射线望远镜首次实现了X射线的成像观测，成功发现了上千颗新的X射线源。
但要让发出X射线的天体在“照相机”中留下身影不容易。比如在体检时拍X光片。由于X射线的能量高、穿透能力强，从X光发射源发出的X光会直接穿透人体。最后在胶片上留下的深浅不一的照片并非代表它最初的强弱变化，而是它在穿透人体、被不同人体结构吸收后形成的图像。
要给X射线“留影”，一般要用到“掠入射”这一物理现象。也是因为X射线的能量比可见光高、穿透能力强，因此它不能像可见光一样在任意角度入射都可以发生反射，只有当入射X射线与镜子近乎平行时才可能发生反射。这种情况被称为掠入射。入射X射线与镜面夹角越大则反射概率越小。掠入射聚焦成像主要集中在0.1—10keV的软X射线波段，其中最为著名的是目前仍在轨运行的XMM-Newton以及Chandra卫星。
硬X射线成像观测进展缓慢
硬X射线比软X射线能量更高，穿透能力更强，因而硬X射线用掠入射的方式聚焦成像较为困难，在镜子表面发生反射的概率更低。目前仅有在轨运行的核分光望远镜阵列卫星（NuSTAR）将聚焦成像的能端扩展到了硬X射线波段，但对聚焦镜子表面粗糙度要求达到了几层原子的厚度，加工难度巨大，装配周期长。
2002年发射升空的国际伽马射线天体物理学实验室卫星（INTEGRAL）突破了这一观测障碍。它首次采用编码孔径技术实现了硬X射线源的成像。2004年发射升空的雨燕号卫星（SWIFT）也用同样方法实现了全天区的硬X射线观测。所谓编码孔径成像技术，就像太阳通过树叶的缝隙在地面形成光斑一样。不同方向入射的X射线经过编码板后会形成不同的投影，通过投影反推得到入射X射线的方向，从而实现成像。编码孔径成像需要位置灵敏探测器，仪器相对复杂，而且由于编码板的遮挡，大部分入射的X射线都无法被探测，探测效率较低。
“慧眼”探测另辟蹊径
但掠入射和编码孔径技术都不是“慧眼”的选择。
“慧眼”采用更为简单的方法实现了硬X射线的聚焦成像，即直接解调成像。通过在探测器前面安装准直器，也即通过限制入射的X射线，“慧眼”只允许与准直器成一定夹角的X射线穿过，实现对入射X射线的调制。通过调整卫星的姿态，使得准直器的扫过天空的不同地区，测量得到不同天区的X射线强度。利用我国学者的直接解调成像即可实现对天体源的硬X射线成像。由于“慧眼”采用非成像探测器，探测器的数目由INTEGRAL的10000个降到了只有18个，极大降低了对读出电子学的需求，同时降低了功耗。相较于其他X射线空间望远镜“慧眼”拥有更大的面积，意味着在进行爆发源短时间内的光变特性研究时可以探测到FC碰碰胡老虎机法典-提高赢钱机率的下注技巧的光子数，因而具有更高的可信度。“慧眼”上天后在卫星平台的测试阶段，即捕捉到了伽马暴充分说明了其优势。
其实“慧眼”并不局限于硬X射线这一能段，研制团队后来为它加上了低能和中能X射线探测器，使它的能区覆盖范围扩大到1—250keV，三个探测能段相互重叠，还可以通过对同一个天体源进行观测实现相互间的交叉标定。首席科学家张双南又创造性地添加了观测伽马暴的任务，使卫星的能量覆盖范围在原来的基础上扩大了10倍。
目前约有10颗空间X射线天文卫星在轨运行。“慧眼”凭借其独特优势，定能在国际天文研究领域，看到属于自己的一片广袤星空！
（作者系中科院高能物理所副研究员、HXMT项目组成员）
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