（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——慧眼观星

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：宋黎明，中国科学院高能物理研究所研究员。

          徐玉朋，中国科学院高能物理研究所研究员。

讲座时间：2024年11月11日～11月17日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=4671077242329795368&read_id=9743593b-cba0-4d2f-a271-25f0ddf262d2&ref_read_id=0b7e0079-88ce-4858-8af4-d52dfd540b5f&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——慧眼观星

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。在2020年的4月28号，我国的慧眼卫星观测到了宇宙当中的快速无线电波，与此同时世界很多地方的天文望远镜都观测到这一信息，那这到底是外星文明给我们传递的一个信号，还是太空当中的一种自然现象？我们通过短片来进入今天的节目。仰望星空，我们肉眼看到的其实只是茫茫宇宙中很小的一部分，更多的秘密隐藏在黑暗的宇宙深处。事实上宇宙中大部分的普通物质，只能通过X射线进行观测，于是科学家们发明了X射线天文卫星，也就是把X射线望远镜搭载在卫星上，发射进入太空，成为帮助我们观测宇宙天体的眼睛。2017年6月，我国第一颗X射线天文卫星成功发射，我们终于有了属于自己的探索宇宙的“慧眼”。从2017年发射至今，这颗太空中的“慧眼”一直以高精度和高节奏在茫茫宇宙之中遨游探索，尤其是重点探寻黑洞、中子星等。这些宇宙深处对人类来说依旧谜团重重的神秘天体。慧眼卫星在轨运行的短短4年间，就参与到了多项历史性的天文大事件当中，几乎每年都会带给我们新的惊喜。2017年参与了人类首次探测到双中子星并合引力波事件，2019年探测到了距黑洞最近的高速喷流，2020年直接测量到了迄今宇宙最强磁场，以及成功找到了银河系中一种传言为外星人信号的真正来源。慧眼的这些新发现对于人类来说有什么意义？它又会揭开宇宙中的哪些奥秘？

我们首先给大家介绍一下，我们今天请来的两位嘉宾。一位是中国科学院高能物理研究所的研究员宋黎明，欢迎您，宋先生！另外一位是中国科学院高能物理研究所的研究员徐玉朋，欢迎您，徐先生！慧眼到底是一个什么样的装置？慧眼它是一个X射线的天文望远镜，那么它是专门用来观测天体，也就是俗称的星星，发射出来X射线波段的这个辐射，这个X射线，它的能量要比我们可见光可能要强上一百倍甚至几千倍这么一个样子。就是因为它的光子能量高，穿透能力强，可以做透视。它到底是观测什么的呢？慧眼大家都知道，它是运行在太空当中，它的主要的观测对象，就我们说的就是那种高能天体，比如说黑洞或者是中子星，或者是宇宙当中的高能过程，那么这些高能的过程，因为它的过程比较剧烈，就会发出比较高能的辐射。我们通过短片去了解一下。我们肉眼所能看到的可见光即七色光，只是电磁波庞大家族中的一员，绝大多数的电磁波肉眼看不到，却在我们的生活中发挥着巨大的作用。比如说我们熟知的X射线，我们在医院中往往都需要用X光透视来检查身体内部的器官，这是由于X射线的能量极高，有着极强的穿透能力，人眼所感受到的可见光让我们能够看到物体的外表，而X射线的透视作用则可以帮助我们看清物体的内部。同样在太空中，借助可见光望远镜，我们可以看到星星的外形轮廓，而X射线望远镜则能够清晰透视到星体辐射区的内部，它们常常被用来观测黑洞、中子星等一些高能天体的剧烈活动，比如黑洞吞噬物质、星星被撕裂、宇宙深处的剧烈爆炸等等，这些高能剧烈的宇宙现象，往往都会伴随着高能量的X射线辐射，却只能发出微弱的可见光。

那说到我们把望远镜放到卫星上，我们很多人就会问，我们地面上不是有FAST（500米口径球面射电望远镜），还有很多其他的观测设备，为什么要放在卫星上？X射线（望远镜）如果放到地面上就看不到天体的这个信息了。因为我们地球有一个稠密的大气层，它对X射线会产生严重的吸收，在整个电磁波这个波段，只有很少几个窗口是能够允许宇宙来的这个辐射，穿透过来进入地球。所以我们要观测天体的X射线辐射，必须把这个望远镜装到卫星上，在大气层之外进行观测。说到慧眼，它跟其他的观测设备，跟悟空的区别，跟FAST，跟LHAASO，这是分工不同吗？它们各自都承担着什么样的观测任务呢？像FAST它是指的是这种射电波段的光学望远镜就是光学波段的。悟空，它指的是伽马射线能段的，那么对于慧眼来讲，它的工作能段X射线，它是有三个探测器，就是高、中、低能了，我们的探测器，它的工作的能区实际上都是有对应的。一个探测器它不可能对所有的这种能段的信息，我们刚才说的光学、射电，还有X（射线）伽马（射线），就完整地把这个信息一块记录下来，是没有这样的探测器的，所以这样的话，这就逼迫我们就是要造不同的探测器。天文学家一直在致力于建造各种各样的望远镜，我们希望能从天体接收更多的信息，所以除了光学望远镜，后来有了射电望远镜，再后来就有了X射线望远镜，对天体的认识也就会更全面、更深入，打一个简单的比方，就像我们去医院看病，又要做化验，又要做CT，做B超等等各种各样的单位检查手段。

那目的是什么呢？通过这些手段来综合地分析你的病情，能让诊断更精确更快速。您指的比如说X光、CT、核磁等等，这相当于我们用不同波段的望远镜，去观测是一个道理，去观测宇宙，最后的结果是综合起来，能够更加准确地判断宇宙当中的信息。对，比如说地面的光学望远镜，只能看到离黑洞应该是比较远的地方，X射线就可以看到更靠近黑洞的地方，也就是说更全面的一些。所谓黑洞就是说它的引力特别强，光都逃不出来，但是它会吸引周围的物质，那么周围这些物质在掉进黑洞之前，它会产生非常高的温度，那么会发出各个波段的辐射。在宇宙当中有很多双星系统，其中有一些双星系统里面，它的一颗星是黑洞，另外一颗星它是这种普通的恒星，或者是其他的星，那么这个黑洞就会把正常恒星的物质吸引到黑洞的里面去。那么在这个过程里面，它不是直接地落入到黑洞里边，而是在边上会转圈，会绕着黑洞在旋转，这形成一个吸积盘。那么这个吸积盘的演化过程当中，是越往靠近黑洞的这个方向上，它的温度越高，因为它温度非常高，那就是有非常强烈的X射线辐射，所以我们用X射线可以看到物质掉到黑洞边界之前的状态。那么可见光因为有星际介质吸收，包括黑洞周围物质的吸收，这些信息它很难传递出来。所以说在地面的望远镜，它看到的主要是什么呢？就是在早期的这个物质落向黑洞的这么一个过程里边，也会发出一些这可见光，它会看到这个性质。

那么X射线实际上它看到的是更靠近黑洞物质的行为，那么这样的话，实际上对研究黑洞来说，越靠近黑洞，它的某些性质的表现就会越明显，所以这个X射线来研究这个黑洞，相比光学来说，它具有比较明显的优势。慧眼是靠X射线这个技术来观察我们这个宇宙星空的，X射线望远镜的这种发展的历史是什么样的？我们要看这个X射线，那么就必须要到大气层外边，就是为什么我们原来就没有看到过天体的X射线辐射，因为那时候我们没有手段到地球的大气层外边去。地球大气层的这个突破，这也是在（上世纪）六十年代X射线天文学才诞生，这就和二次大战相关了。在当时的美国，它是缴获了很多当时德国的很多的这种火箭，在当时的美国一些天文学家，他们就利用这些火箭带上一些非常简陋的仪器，发射到太空当中去。然后看一看外太空都有些什么东西，那么通过这么一个过程，就在天体当中发现了很多X射线非常强的天体的辐射，所以当时的这个发现也是颠覆了我们对天体的认识，有很多非常奇怪的天体，它的这个行为和我们的太阳是完全不相同的，这也就是为什么我们后续地发射了一系列的卫星，去对它进行研究。我们国家X射线望远镜的这种发展的历史是什么样的？我们通过短片去了解一下。

我国对于X射线天文观测的探索，起步于上世纪70年代。在没有足够成熟的技术条件把探测器送入太空的情况下，我国科学家独辟蹊径，把我国独创的X射线调制望远镜搭载氢气球飞往大气层。虽然这一阶段还没能进入太空，但在大气稀薄的地球顶端，我们踏出了X射线天文观测的第一步。气球试验的成功从此让科学家们开启了研制天文卫星，把X射线望远镜真正送入太空的美好构想。于是到了90年代，当我国进入载人航天时代，科学家们将X射线探测器放入神舟二号留轨舱段，进行了我国首次在太空中的X射线观测，后来又发展了“天宫二号”空间实验室，X射线探测器也随之进行进一步的太空实验。在有了前面一系列铺垫之后，我国在X射线观测方面的技术、设备都逐渐趋于成熟，终于在2017年慧眼作为我国第一颗X射线天文卫星研制并发射成功，正式开启了我国的X射线太空探索之旅。那么，它有着什么创新和独特的优势呢？那说到慧眼望远镜，到底它有什么创新，当初我们建立这个慧眼的初衷和目的是什么？这个望远镜它的概念的提出是我们国家李惕碚院士和吴枚研究员，他们在上世纪九十年代提出的一个概念，在当时通过研究国外的这种观测数据和天文的发展，发现就在这硬X（射线）这个能段，在国际上是一个空窗，大家都没有对它进行过巡天。

为什么之前没有呢？是没有意识到？这个能断，大家都是非常重视的这个能断。但是由于技术上的困难，在国外它在研究这个方面，进行巡天花费的代价会非常大，所以他们的优先级不高，那么我们国家就是李惕碚院士和吴枚研究员，他们是发展了一种新的探测方法。我们当时从我们国家来说，天文的基础是比较薄弱的，就当时用比较简单的仪器来完成我们对这个能段的这个详细的观测和巡天。完全赢在方法上了？对。等于说我们的投入成本并不高，但是观测效果却非常好。没错。它的优势都体现在哪些方面呢？首先我们的有效面积特别大，望远镜的口径越大，那我们接收的光子数越多，那我们得到的信息更多，那我们就能重建出来更清晰的图像。还有就是时间分辨特别好，我们观测X射线实际上是一个光子一个光子探测的，因为这个天体的高能辐射虽然非常剧烈，非常强，但是因为这天体离我们实在是太远了，所以能够到达地球的这个光子数非常少，非常稀有，所以我们都是一个一个地去记录它的到达时间。我们在时间分辨特别好，记录一个光子的时间分辨可以到两个微秒，这是一个特点。还有一个就是能量范围特别宽，我们可以覆盖从软Ｘ射线，就是说1KeV（1000电子伏特）左右，一直到硬X射线到250KeV，甚至300KeV这样非常宽的一个能量范围，就可以看到更丰富的天文现象。

那么这样的话，这颗卫星目前它就成为在轨的工作能区最宽，它的时间精度最高，然后能量分辨率也相当好的这么一个望远镜，这也是为什么我们在以后的这个观测当中会取得成果的这么一个基础。那说到慧眼对于宇宙的观测，我们有自己技术上的得天独厚的优势，那到底它在服役开始到今天这么长的过程当中，它观测到了什么？有哪些重大意义的贡献呢？我们这个慧眼是2017年6月份发射的，那么发射不久刚好赶上了一个当时非常轰动的天文学事件，也就是说双中子星并合产生引力波这个事件，大家都知道这个引力波这个实验，它是我们所说的爱因斯坦相对论里边唯一一个没有直接验证的这么一个效应。原来是通过这种比较间接的途径，通过这个脉冲星的监测等等把它看到的这个引力波的这个辐射，证实了有引力波这件事，但是我们还想着直接地就看到引力波是个什么样子。这个双中子星就是一种非常致密的天体，那么当时发生这个事件的两个中子星，一个质量比太阳稍微小一点，一个大概是两倍多，那么它们由于吸引就靠得越来越近，就相互绕转绕绕绕绕，那么引力值越来越强，最后撞到一起，发生了一个剧烈的爆炸，那么这个爆炸就产生了一个非常强的引力波。两个中子星并合在产生引力波的同时，它也有可见光，还有X射线等等波段的辐射。当时全球有几十台望远镜，包括地面的，包括天上的卫星一起进行了观测，都捕捉到了这个信号，这所有的观测设备都是从不同的波段或者不同的角度来进行观测。全球各地的望远镜，地面上的，天上的卫星都观测到了，那它们观测的区别是什么？

美国的激光干涉引力波天文台，还有欧洲的叫室女座引力波天文台，同时看到了引力波的信号，但是这个信号非常弱，即使是两个中子星碰撞到一起，这样的一个剧烈的爆炸，它产生的引力波仍然实际上是非常非常微弱的，我们要用一个特别巨大的探测器才能够探测到。也就是说探测非常困难，那么对它定位就更困难，所以美国的引力波天文台，加上欧洲的引力波天文台，给出来这个方向是比较粗的，只是一个大概的范围。那么这个时候，美国的费米卫星看到一个伽马射线暴跟它是同时发生的，加上费米卫星这个定位，就更精准了一些，仍然我们不知道它是从什么天体来的。因为精度还不够，这个时候地面的光学望远镜加入了观测，同时它有可见光的信号，包括美国的哈勃望远镜都看到了，咱们国家在南极的一个光学望远镜也看到了这个信号。那么光学望远镜的分辨非常高，就是定位它，它是从什么天体来的，这样也就对这个事件有了更深入的认识，当时我们的慧眼卫星，也在观测发生引力波事件这个方向，我们是在硬Ｘ射线波段进行了观测，但是我们的卫星，没有看到明显的信号，就说明这个事件在这个能量范围里没有明显的辐射，虽然我们没有看到信号，这也是一个非常重要的结果。这个慧眼的发现到底是有什么样的意义呢？

这也就说明这么一个事实，两个致密天体在并合以后，发生引力波的过程当中，原来我们有很多的猜测，就是有很多的模型。大家都认为，有的模型认为说这个里边可能会有非常强的辐射，那么有的模型认为这个没有比较强的辐射。那么慧眼的这个结果就直接地就把有一些模型，就是说它的理论推测都是不对的，就是让我们的这个选择和前进的方向都是比较准确了，就少走了很多的弯路，我想这是一个比较大的一个贡献。我们是不是可以这样理解，比如说我们正在看一场奥运会，现场有上百架机器在转播这场奥运会，那我们其中的一台机器所看到的景物，正好能够证明我们前方所做的事情是对的。就是说我们通过很多的手段，有的是从机位的角度，有的从速度或从其他的角度来去判断谁最先撞线，有管计时的，有管距离的，还有一些管角度的这些事情，那么就慧眼的这么一个结果，在所有的记录当中确认了双中子星这么一个并合的这么一件事情，没有高能辐射。那么从这个角度上也可以说，过去有一些我们有一些猜测，有一些理论模型，是不正确的。慧眼它在观测的时候，有一年获得了我们国家十大科学成果奖，这是靠什么成果来获得这样的荣誉的？

慧眼卫星它的能段非常宽，特别是在这种高能的能段，它的灵敏度比较高，那么我们这次获得的十大科学进展，它指的是我们在观测当中直接观测到了宇宙当中最强的磁场，这也是一个世界纪录，比目前的看到的磁场大概强了两倍。另外一个结果，就是我们证认了宇宙里边快速射电暴，这也是一个非常里程碑式的一个贡献。大家都知道，在我们的宇宙当中，有非常多的新奇的现象，一个就是说在我们的无线电观测的时候，就会发现一个非常剧烈的一个脉冲的信号，就是我们一个射电波的一个爆发，马上后边什么都没有了就是一次爆发。对这种射电的观测我们有一种办法，就是色散延迟可以测量这个射电波离我们的距离，发现都是在我们的银河系之外，那么这样的话就引起了大家的非常大的兴趣，这是一种非常奇怪的现象。这个现象实际上是属于比较新的一个天文现象，是2007年才发现的，很多射电望远镜都记录到这种事件，包括我们国家也发现过很多。所谓快速射电暴就是在无线电波这个波段非常短促，一个脉冲信号，它这个持续时间非常短，只有不到一毫秒，它一闪而过，我们来不及对它进行定位，就不知道它是从什么天体来的，所以很多天文爱好者就会说，这是不是外星文明给我们发的一个信号呢？那我们要不要去回答呢？

因为《三体》里边经常提到这个外星文明发的信号，我们要不要回答，对于人类是不是有危险，科学家的反应是什么？当时我们的反应就是我们要对这种信号进行识别，对它进行研究，那么就在去年（2020年）的4月28号，我们慧眼卫星和射电（望远镜），同时观测到了一个信号。那么通过比对这两个信号，就发现这两个信号实际上是来自于我们说的一种天体，叫磁星这么一个天体上。说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。2020年4月28日，来自加拿大和美国的两个射电望远镜同时观测到了一个亮度极高的快速射电暴，除了射电信号本身，它往往也伴随着其他波段信号的出现，比如X射线。并且，由于射电波容易受到星际物质的影响，X射线在宇宙中的穿行速度往往要快一些，而就在这两个望远镜接收到射电暴信号的8.6秒前，慧眼卫星探测到了一次X射线爆发，并把它精确定位在了一类具有宇宙最强磁场的中子星“磁星”。两个信号之间的时间延迟，恰好能够证明快速射电暴与X射线同时起源于磁星的这一次爆发，就此解决了快速射电暴的起源之谜。

那么这件事，也就是从根本上来去回答了大家的这种疑问，这种信号不是一个外星文明的信号，它只是一种比较普通的天文现象，所以这也被评为十大的科学进展。我们慧眼除了在观测天体这样的任务之外，还有什么其他的科研任务吗？在我们的慧眼卫星的科学目标里边还有一个，就是来进行脉冲星导航的试验，这个我想大家都看过电影，叫《流浪地球》，那么这个《流浪地球》大家都知道我们的地球一旦飘出了正常的轨道，我们如何对它进行定位？那么这样的话对于我们来讲，实际上这是一个难题，那么现在呢，通过对脉冲星的观测，可以确定我们地球在宇宙当中的位置，包括对深空的探测等等。这些技术我想都可以用得上，就是这个结果也是取得了非常好的一个成果，就是和目前国际上脉冲星导航，它的最高的这个灵敏度是美国人做的，是相当的。国际上有没有类似同类的这种卫星望远镜，它们的观测能力怎么样？国外实际上也有很多Ｘ射线天文望远镜，都有它各自不同的特点。比如说美国的钱德拉，它的角分辨特别好，就是它可以给一些天体拍照片，拍得比较清楚，那么欧洲有个叫XMM-牛顿的卫星，那么它的特点是面积稍微大一点，能谱测量能力比较强。这个宇宙非常大，值得去探究的现象非常多，有很多卫星同时进行观测，是一个互补的关系。

协作观察的这样一个望远镜，这个慧眼，它在国际上这个地位是怎么样的？慧眼从国际的卫星上来讲它的科学意义，那么第一个就是它的能段覆盖比较宽，那么第二个它的时间的精度非常好，对于每一个光子的记录时间非常精确。刚才徐老师说的很多的望远镜它们都有一个特点，就是它的聚焦能力非常强，但是聚焦能力非常强就带来一个问题，对特别亮的源，实际上它会造成它的饱和，它们不太适合做很亮的这种源的观测。那慧眼卫星实际上，因为我的面积比较大，时间精度比较好，那么我们是比较适合做这种快速演化的爆发的这种现象，比较亮的这种观测，虽然慧眼卫星是我们的国家的第一代的天文卫星。但我想在国际上它还是说取得了很多比较瞩目的，大家瞩目的一些成果，那我们未来对慧眼还会有哪些期待？大家都知道我们的宇宙非常地大，实际上有无限的可能，那么现在我们的科学目标里边，基本上都已经实现了，但是我们也发现了一个问题，就是我们的这个慧眼取得比较重大的突破的这么一个时机，都是宇宙当中有这种比较大的爆发的时机。但这种爆发实际上，在宇宙当中是层出不穷的，所以我们希望在以后通过这种我们叫作机会观测，就是在我们的原定目标之外的，这种观测目标来取得更重大的一些成果。

那刚才我们介绍了这么多，慧眼对于这个宇宙的这种观测，但回过头来我们又一想，到底跟我们普通人之间这个关系是什么呢？那么在这个卫星研制过程中，也会发展出来新的技术，那么这些技术实际上可以应用在我们的工业上，甚至我们日常生活相关的一些领域里边。慧眼刚才说我们发展了一套这种成像方法，那么现在我们把这种成像方法，用到别的途径上，比如说汽车行业里边，它的漆喷的那个漆，一层一层的漆，要进行扫描观测，原来的这个图像比较模糊。但是用到我们这个技术以后，它的清晰度提高了很多，我想这都是它的这个应用吧。今天两位给我们解释了很多关于慧眼望远镜这样的一个话题，好，感谢两位做客我们的节目！也感谢您收看我们这一期的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目。我是胜春，咱们下期节目再见。