睁开“慧眼”，科学家要浇灌天文学的“参天大树”

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美丽的明星空总是让人好奇。手绘/何梦

新华社北京6月16日电(记者于飞曲婷)中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南打了个比方。中国的许多学科一直走在世界的前列，但天文学是一个“大坑”；幸运的是，在这个“大坑”里还有两棵树，一棵是高能天体物理学，另一棵是引力波。

作为最近发射的中国第一颗X射线天文卫星“贵研”的首席科学家，张双南希望中国能够继续沿着X射线天文学的方向前进，逐步浇灌“参天大树”。

“护目镜”的全称是硬x光调制望远镜(简称hxmt)，它将观察天体，如黑洞和中子星。它的发射操作将使中国在空.之间的x射线观测领域占据一席之地“我们在这方面有一定的基础，有仪器和人才。如果我们发展更好的观察方法，我们可能会赶上欧洲，甚至与美国竞争。”张双南说。

这是hxmt卫星模拟的示意图。(资料来源:中国科学院高能物理研究所)

这位天体物理学家指出，中国在基础科学研究方面落后欧美至少几十年，差距仍然很大。“由于我们不能全面竞争，我们应该把重点放在我们做得更好的领域的突破上。与其全面开花，不如开几朵非常漂亮的玫瑰。”

Extp，下一朵玫瑰

基于“与众不同”和“强化优势领域实现重点突破”的原则，张双南和他的团队于2007年提出了“X射线时变偏振探测卫星”(xtp)的构想。作为hxmt卫星的后续项目，它将实现从具有特色的小型空天文台到具有国际领先地位的大型空天文台的战略突破。

“在下一颗X射线天文卫星上，我们不仅要使用聚焦技术，还要扩大聚焦范围，这将是一个巨大的飞跃。”张双南说。

目前，聚焦x光望远镜的主要问题是面积相对较小。如果孔径太大，焦平面探测器可能无法区分每个入射的x光光子，这导致它无法观察到明亮的光源。根据张双南的构想，xtp卫星上将安装十几个更小的望远镜，用一个望远镜观察明亮的光子源不会有任何混淆，将十几个望远镜加在一起可以大大提高灵敏度。

同时，下一颗卫星将打开一个新的观察窗口——极化。“过去，人们只测量到达光子的时间和能量。未来，我们将测量它的极化。极化是研究超磁场和超重力场的很好工具。”张双南说。

从2012年到2015年，xtp背景模型得到了中国科学院空科学带头人的特别支持。在背景模型研究期间，一个欧洲科学小组加入了xtp项目，并计划贡献大面积的X射线准直望远镜和广角监视器。因此，项目的名称被改为extp，意思是“增强的xtp”。

extp卫星示意图。(资料来源:中国科学院高能物理研究所)

由于集成了大面积聚焦望远镜阵列、大面积准直望远镜阵列和高灵敏度偏振望远镜，extp与以前的X射线天文卫星相比，综合性能提高了一个数量级。它的核心科学目标包括精确测量黑洞的旋转和研究在极端重力条件下的时间空，以及在极端重力条件下测试广义相对论；精确测量脉冲星的质量和半径，识别中子星和夸克星，在极端密度条件下测试量子色动力学；精确测量量子电动力学预测的超强磁场中的真空双折射效应，并在极端磁场条件下测试量子电动力学。

“此外，extp在观测和研究各种高能天体、探测伽玛射线暴、引力波暴和电磁波方面具有明显优势，将推动中国空 X射线天文学进入国际领先行列。”张双南说。

据报道，extp项目已经吸引了十几个欧洲国家，包括德国、意大利、英国、西班牙、法国、瑞士和丹麦。Extp有可能成为一个由中国发起和领导、大多数发达国家实质性参与的大型国际合作科研项目。

镜子，一个需要克服的难题

为了开发下一代聚焦x光望远镜，有必要克服镜子制造的问题。因为x光的波长很短，能量很高，所以它不会像可见光一样在镜子上反射或折射，而是聚焦在成像上。相反，它会像“壳”一样直接击中或穿过镜子。能量越高，“炮弹”的穿透能力越强。

1952年，德国科学家瓦尔特发明并设计了放牧镜，其原理与站在湖边非常相似:一方面，平静的水面很容易使水漂变得美丽；另一方面，选择平坦的瓷砖，尽可能向下倾斜。手和湖之间的角度越小，就越容易做出美丽的水漂。掠射镜能够反射和聚焦x光的奥秘在于它的表面粗糙度足够低，而且它与镜子之间的夹角足够小。

1999年，美国发射了具有里程碑意义的钱德拉x光天文卫星，其掠射聚焦系统可以聚焦10千伏以下的软x光。钱德拉卫星的镜面极其光滑，其表面粗糙度只有几层原子厚。如果把镜子放大到地球的大小，镜子上最高的“山”不到2米。2012年，美国发射的nustar卫星实现了硬X射线聚焦成像，将能量范围推至79kev，也将镜子制造工艺推至一个新高度。

目前，这种适用于空 x射线天文观测的镜子在中国还不能生产。张双南希望通过extp项目推动中国相关产业提升技术水平。

哈佛大学张双南分校首席科学家。(资料来源:中国科学院高能物理研究所)

“虽然科学很重要，但也很昂贵。毕竟，中国是一个发展中国家，所以尽管从国外购买先进的仪器可能会获得更好的科学成果，但我不愿意这样做。科学投资取决于长期回报和短期回报。我们必须专注于推动技术发展的事物。”张双南说。

梦在宇宙中更深

要浇灌一棵“参天大树”，我们当然不能止步于此。“hxmt主要研究银河系中的天体；Extp将对河内的一些天体进行详细研究，还将观察邻近的宇宙；下一步，我们希望将研究范围扩展到整个宇宙。”张双南说。

宇宙中的许多问题需要用更先进的x光望远镜来解决。

张双南解释说，一方面，宇宙中的大型结构与黑洞的生长和演化之间的碰撞会产生x光，这需要x光望远镜来观察；另一方面，宇宙中的大多数物质都是以高温等离子体的形式存在的，它们也能产生x光，所以这些物质只能在x光波段才能被清楚地观察到。

这幅手绘图片显示，通过x光天文卫星，我们将看到宇宙狂野而暴力的一面。(手绘何梦)

其中，有一个重要的难题——重子失踪的问题。“根据目前宇宙的演化模型，宇宙的68.3%是暗能量，26.8%是暗物质，还有4.9%是我们可以观察到的物质，叫做重子物质。然而，科学家们搜索了又搜索，但是他们找不到4.9%的重子在哪里！在遥远的宇宙空，重子相差不到一半。在我们邻近的宇宙中，重子更糟糕。一种解释是，这部分物质不发射可见光，所以看不见，但它会产生x光。如果你有一个更先进的x光望远镜，你也许能找到他们。”张双南说。

“我们现在需要开始开发extp，但同时我们需要开发下一代技术。Extp的下一代望远镜仍将采用聚焦技术，但其焦平面探测器将非常特殊；视野很大，因为我们必须研究整个宇宙。”张双南说。