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空間硬X射線調制望遠鏡

日期:2013-08-20 15:51:18 來源:www.078045.live 作者:優質論文網

 摘要 用宇宙作為物理實驗室,探索在地球上無法企及的條件下,例如極早期宇宙或黑洞視界附近強引力場中的物理規律,已成為新世紀物理學和天文學共同的前沿課題;空間天文觀測是其中一個最重要的研究途徑.自主研制和發放空間硬X射線調制望遠鏡(HXMT),實現中國空間天文衛星零的突破,是中國《“十一·五”空間科學發展規劃》的目標之一. HXMT 將實現寬波段X射線 (1—250 keV) 巡天,其中在硬X射線波段具有世界最高靈敏度和空間分辨率,發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和未知類型天體,探測宇宙硬X射線背景輻射;HXMT還將通過對黑洞和其他高能天體寬波段X射線時變和能譜的觀測,研究致密天體極端物理條件下的動力學和輻射過程. 基于成像技術創新提出HXMT項目迄今已有15年,能不能抓住技術創新所提供的科學機遇仍然是一個嚴重的挑戰.
關鍵詞 高能天體物理, 黑洞, 空間天文
  

  Abstract :Using the universe as a unique laboratory for probing the laws of physics in regimes not accessible on Earth, such as the very early universe or strong gravity fields near the event horizon of a black hole, is a new common frontier between physics and astronomy. The hard X-ray modulation telescope (HXMT) mission is the first dedicated astronomy satellite in the 2006—2010 five-year plan for space science unveiled by the National Space Administration of China. The HXMT mission will perform a wide band (1—250 keV) all-sky survey with the best sensitivity and angular resolution in the hard X-ray range as a black hole finder and cosmic hard X-ray background observer, and make sensitive pointed timing and spectral observations for studying the underlying physics processes of black holes and other compact objects. Fifteen years have passed since the submission of the HXMT proposal based on a new imaging technique. It is still a challenge for China to see if the scientific opportunity created by such a technological innovation can be finally grasped.
  Keywords :high-energy astrophysics, black hole, astronomy from space
  
  1 X射線天文學的開拓
  
  天體的高能輻射(X射線?γ射線)被地球大氣吸收,必須在地外空間才能被觀測到.1962年,美國科學工程公司一個青年核工程師賈科尼(R. Giacconi),聯合麻省理工學院的學者,用探空火箭把X射線計數器放到高空,探測月面被太陽照射時產生的熒光X射線,意外地在月亮和太陽以外的天區探測到一個很強的X射線源[1].當時用的X射線探測器不能成像,只能測得寬視場中的X射線光子計數,不能確定X射線天體的位置.1965年,在美國工作的日本學者小田(M. Oda)提出準直器調制定位方法[2],可以利用簡單的X射線計數器確定X射線源的方位.1966年,賈科尼?小田等將加了準直器的X射線探測器用火箭重新發射上天,測出這個X射線源在天蝎座,這就是人類發現的第一個宇宙X射線源天蝎座X-1.1970年,采用這一技術的X射線天文衛星“Uhuru(自由號)”上天.Uhuru實現了人類歷史上首次X射線(2—20 keV)巡天,發現了400多個宇宙X射線源. 其后,賈科尼等發展了X射線掠射成像技術,發放了“愛因斯坦天文臺”等X射線成像衛星,使X射線天文學走向成熟.2002年,賈科尼由于開拓了人類觀測宇宙的新窗口——X射線天文學而被授予諾貝爾物理學獎.
  
  2 硬X射線天文
  
  對于研究天體極端條件下的高能過程,光子能量高于10—20 keV的硬X射線是比X射線更重要的窗口.例如,黑洞吸引周圍物質形成吸積盤,其最后一個穩定軌道內邊緣的溫度達到數百萬?上千萬度,發射強烈的軟X射線.而從吸積盤邊緣到黑洞視界的高溫等離子體溫度高達數十億度,這個區域主要發射比軟X射線能量更高的硬X射線.所以,硬X射線是研究鄰近黑洞強引力場區域時間?空間和物質性質的關鍵波段.而且很多巨型黑洞被塵埃包圍,軟X射線無法穿透,只能用硬X射線探測器去發現它們.上世級90年代初,美國科學研究委員會天體物理委員會在規劃未來十年美國天體物理發展的報告中指出,高能天文觀測存在一個重要的缺口,就是硬X射線波段,預期這個波段將是非常富有成果的領域,報告將硬X射線成像列為優先級最高的90年代空間高能項目;美國宇航局也把硬X射線巡天列為90年代空間高能天體物理的首要任務.
  硬X射線成像比X射線成像困難得多.上世紀70年代開始發展了編碼孔徑成像技術, 它是用探測器陣列與編碼孔板構成的編碼孔徑望遠鏡,記錄不同方向入射的光子編碼板投影的疊加,然后再借助于解調或者反演的數學方法求出影像.上世紀90年代,歐洲和美國先后開始研制編碼孔徑成像的硬X射線衛星.
  
  3 直接解調方法
  
  我們于上世紀90年代初提出直接解調方法[3],用簡單成熟的硬件技術可以實現高分辨和高靈敏度硬X射線巡天.自從高斯發明最小二乘法以來,人們總是借助一些簡化的最優化條件(如最小二乘條件?最大熵條件或最大似然條件)或線性數學變換(如傅里葉變換),實現由觀測數據到真實對象的反演;直接解調方法則應用非線性的數學手段,直接解原始的測量方程,實現反演成像.由于更充分地利用了數據中有關測量對象和測量儀器的信息,同樣的數據經直接解調可以得到比傳統方法好得多的反演結果.把直接解調技術運用于實驗設計,可以突破儀器內稟分辨的限制,用簡單的非成像探測器掃描觀測,實現高靈敏度和高分辨率的成像.與復雜和昂貴的編碼孔徑成像系統相比,簡單的準直探測器掃描數據直接解調成像的,分辨率高,同時噪音干擾被有效抑制,背景異常干凈.直接解調方法提出之初,用低分辨的非成像探測器能實現高分辨成像難以被接受,曾被稱為“魔術”,直接解調成像結果甚至被懷疑為弄虛作假.新方法取得認可經歷了一個長期的過程:論證了方法的數學基礎;用地面實驗和球載硬X射線望遠鏡飛行驗證了直接解調成像的可行性;應用直接解調技術重新分析多種國際空間天文衛星的檔案數據,大大提高了其結果的質量(利用一些非成像衛星的數據實現了高分辨成像,并獲得一些重要的天文發現).經過十年左右的理論?實驗和數據分析工作,國內外學者開始接受直接解調方法,例如,2002年7月,歐洲空間局在意大利舉行空間科學暑期講習班,將“直接解調方法”列為成像方法課程.
  
  4 硬X射線天文衛星HXMT
  
  1993年,中國科學院高能物理研究所高能天體物理實驗室研制的非位置靈敏硬X射線探測器HAPI-4(見圖1),在高空氣球飛行中對恒星級黑洞天鵝座X-1進行掃描觀測,利用直接解調技術實現了高分辨硬X射線成像[4].在此基礎上,作為“九五”重大科學工程侯選項目,我們提出用成熟廉價的探測技術建造和發放世界最高靈敏度和最高空間分辨本領的硬X射線調制望遠鏡HXMT的建議.HXMT望遠鏡由18個準直NaI/CsI 復合晶體單元構成,總面積為5000 cm2, 準直器視場為1°×6° ,探測能區為20—250 keV, 成像分辨率好于5角分.1994年5月,對該建議的評審結論是“ 空間高能X射線調制望遠鏡采用我國發展的直接解調成像方法,如能確認則可望成為世界上第一臺高能X射線的高靈敏度?高分辨率的成像望遠鏡,在硬X射線天體的發現和研究方面作出重大貢獻.技術(硬件)儲備較好.主要問題是作為核心的方法有待確認”.
  經過多年時間,直接解調方法慢慢地被較多人認可.1998年,為利用直接解調新技術開拓空間天文前沿,44位物理?天文和空間科學技術方面的學者(包括9位在海外的中國學者)聯合提出國家重點基礎研究發展規劃(973)項目建議書.2000年,973項目“天體高能輻射的空間觀測與研究”立項.2000—2005年,在973項目支持下,中國科學院高能物理研究所和清華大學合作建成HXMT望遠鏡主探測器1:1地面樣機(見圖2).地面樣機對放射源掃描成像結果(如圖3),證實了用HXMT實現高分辨率成像的可行性.
 


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