成功进行脉冲星导航实验慧眼卫星如何探索极端宇宙

出品："SELF格致论道讲坛"大众号（ID：SELFtalks）

以下内容为我国科学院高能物理研讨所卢方军讲演实录：

用一个X射线望远镜去看世界，咱们会看到一个剧烈改变的天空。

用X射线望远镜看到的是剧烈改变的天空

这些有着激烈X射线辐射的天体，它们的物理性质也十分极点。这便是我今日想讲的，具有极点性质的天体，其间主要想给咱们讲讲咱们是怎样探究黑洞和中子星的，或许说我国的科学家在这儿边做了一些什么样的尽力。

黑洞和中子星

什么是黑洞呢？我信任在座的各位教师和同学应当比我还要清楚，所谓黑洞便是什么东西都出不来。人造地球卫星发射上天后之所以不掉下来是由于它的动能大于地球发作的引力势能。

相同，假如一个星体它发作的引力场满足强，以至于物体以光速运动的时分都不能逃离它的引力场，这时咱们就看不到来自这个天体的任何辐射，这个天体就会成为一个黑洞。

打一个形象的比方，假如把太阳紧缩成一个3千米半径的星体，它就会变成一个黑洞，咱们会看不到来自太阳的任何辐射。所以黑洞给咱们供给了一个极点的引力场环境，让咱们做科学研讨。

黑洞：强引力场

什么是中子星？这是一种大质量的恒星，其质量比太阳要大8到30倍，它的寿数或许在几十亿年，在它生命的晚期，会发作超新星迸发，在迸发的进程中会有一个强壮的往里边的冲击力，使它的中心部分塌缩，构成一个十分细密的天体。这样一个细密的天体便是咱们讲的中子星。

中子星十分细密，一立方厘米的分量大约在几亿吨。假如说把地球紧缩成一个中子星密度的星体的话，它的直径只要10米，你能够幻想它的细密程度。

中子星还有一个特点是它有十分强的磁场。地球外表的磁场大约是0.5高斯，中子星的典型磁场在10的12次方高斯。也便是说，中子星的典型磁场是地球磁场的2万亿倍，咱们现在在地上上能够完结的最强的磁场大约只要它的万分之一。

中子星：高密度，强磁场

所以这样一个极点的引力场或许极点的磁场环境，为咱们供给了一个实验室，去研讨一些咱们在地上上无法研讨的根底物理规则。

为什么要探究极点天体

前面讲过黑洞的引力满足强，以至于光线都不能够逃离它的引力场。那么黑洞必定对周围的时间和空间的结构，或许咱们常常讲的坐标系有十分强的影响。在这样一个歪曲的时间和空间里边，物质怎样运动？怎样被加快？加快今后又怎样辐射？

爱因斯坦创建的广义相对论在现在一切的查验里边都证明了它是正确的，可是咱们一切的查验都是在弱引力场中做的。在强引力场中，特别是量子力学都是在一个十分高能量的环境里边查验的，这时广义相对论还成不建立？咱们能不能够寻求对现在的物理结构的一个打破？

对中子星来说，它的高密度、强磁场，对科学研讨也十分重要。在这样高密度的状况下，物质是处于什么样的状况呢？咱们知道假如说物质是一个气体，它是能够紧缩的；假如是一个液体，它紧缩起来就十分困难；假如说是一个固体，基本上就不能够紧缩。那么在这样高密度的状况下，咱们给了它一个压力今后，它的体积会怎样改变？这和一些物理进程严密相关。

它的磁场很强，咱们现在通过丈量大约估量它或许是地球磁场的2万亿倍。究竟有多强？究竟能够多强？最强会有多强？在这么强的磁场里边会有什么物理规则让咱们能够查验呢？

举一个比方，现在比较前沿的研讨以为真空会发作涨落，便是真空并不是真的真空，它或许里边会发作一些虚粒子对，比方正负电子对，它很快就会湮灭（构成虚光子），所以咱们看不到来自真空的任何辐射（信息）。

可是假如有强的磁场存在，有了电荷，所以离子要顺着磁力线运动，而正电荷、负电荷又会使得这个运动的方向不相同，那正电子和负电子就没有机会再磕碰一同。在这种状况下，就为咱们供给了研讨真空涨落的或许性。这便是咱们探究这些极点天体所具有的十分重要的科学含义。

X射线观测

黑洞和中子星体系都是激烈的X射线辐射天体，X射线观测是了解它们的特点，研讨其间的物理规则的最为有用的探针。

咱们在地上上尽管也能够看到星星的光学辐射，由于咱们的眼睛也是对光灵敏的一个勘探器。可是要研讨天体的X射线辐射，咱们必需求逾越稠密的大气层，到大气层的顶部或许是到太空里边没有大气吸收的状况下，去研讨来自天体的X射线辐射，然后进一步去了解这儿边所隐含的物理规则。

除了光学和无线电波，大部分的电磁辐射均无法穿透大气层

“慧眼”卫星

我国从20世纪70年代开端进行X射线地理的观测，到现在差不多有40年的时间了。前期的观测条件很差，是用一个高空气球把一个勘探器运到大约40千米的高空进行相关地理研讨。这个气球的体积在60万～100万立方米，它能够把两吨重的载荷运到40千米的高空。一同咱们也在用一些国外的卫星数据进行相关的科学研讨。

我国前期X射线地理观测

在这样长时间的气球飞翔实验中，咱们积累了许多经历、数据和物理思维。1993年，我到高能所读博士，我的导师其时提出了要制作一颗X射线地理卫星的主意，咱们就开端做这个卫星项目的预研、证明。一向用了18年，2011年国家才开端批复立项。

批复立项今后，咱们就开端制作。2017年，卫星发射上天今后，被命名为“慧眼”卫星。

这是“慧眼”卫星和有用载荷的一个简略的介绍。这颗卫星重2.5吨，运转在离地上550千米的高空。它会通过北京的上空，由于它的倾角是43度。它的规划寿数是4年，上面有高能、中能、低能等各种勘探器。

“慧眼”卫星和有用载荷

这是咱们卫星工程节点的介绍。从2011年3月国家正式批复立项，到年末，咱们从计划阶段转入初样阶段，开端做硬件的研发了。原本国家给咱们4年时间把它完结，具有发射条件，效果咱们用了6年时间，延长了2年，这2年的进程当然是十分困难的。咱们从我的头发也能够看得出来，这几年我的头发都变白了。

2017年4月，卫星具有发射状况今后，咱们就建立了发射实验队，我从咱们所长手上接过了实验队的这面旗号，我是实验队的队长兼党支部书记。

建立发射实验队

4月20日，咱们榜首批队员拿着旗子就抵达了酒泉卫星发射基地，4月22日，我随第二批队员一同抵达了春风航天城。春风航天城是我国发射卫星一个十分重要的当地，神州系列飞船都是在春风航天城这儿发射的，这儿也被称为酒泉卫星发射基地。

4月20日，榜首批实验队员抵达酒泉卫星发射基地

4月22日，第二批实验队员抵达酒泉卫星发射基地

尽管前面的研发作业十分困难，可是咱们的卫星到最终的状况十分好。卫星到了发射场今后，状况十分安稳，没有出过问题，那时其实咱们的作业安排是比较轻松的，就怕咱们忙中出错，把一个造价10亿元的卫星给碰坏了。

咱们有许多闲暇时间，可是这个闲暇时间是不能随意活动的，有两个原因：一个原因是这个发射场在戈壁滩的一个绿地里，你单独外出或许有生命危险；另一个原因是这儿是一个军事基地，不能让你随意处处走动，假如你拍张相片发到朋友圈里，很或许国家机密就被你泄露了。

所以咱们常常把咱们安排在一同进行团体活动，比方这是发射基地周围的狼心山，狼是蒙古族的图腾，所以狼心山是这儿很重要的一个景点，这上面还有用于调查的像地堡这样的设备。咱们会带领咱们去攀爬狼心山。

攀爬狼心山

酒泉卫星发射基地是在沙漠里边的一个绿地，之所以构成这样一个绿地是由于我国第二大内陆河、发源于祁连山的弱水河流经这个当地。落日西下的时分十分美，水浅浅的，沙洲平平的，给人一种美的享用，是一种对曩昔的追思。

弱水河

这儿有人工湖，也有各种精巧的雕塑。图片中标示的是彩虹桥，彩虹桥是架在弱水河上面进出这个基地的一个大门，你想进入这个基地就必定要通过彩虹桥，所以彩虹桥实践上有某种标志性的含义。

彩虹桥

通过50天左右的作业，6月6日，卫星就安装完结了。其时咱们摆pose照相，咱们能够看到咱们下面这些人站成了“HXMT”的形状。咱们很高兴，整个卫星测验没有呈现任何问题。

卫星安装测验完结，团体摆pose

卫星安装完了今后，开端要进入火箭的载荷舱。进入载荷舱今后，咱们又和卫星一同合影。载荷舱外面还贴着国旗。

卫星装入火箭载荷舱进程中

卫星装到这个载荷舱里边今后，要运到发射塔架上去，和火箭对接。从卫星的拼装厂房到发射塔架有4千米，轿车拉着这个载荷舱大约要走40分钟。它走的很慢，便是怕这个进程中忙中出错。咱们这些测验人员是能够坐在大巴车上面跟着的，可是那一天，咱们都不谋而合地在周围慢跑，这儿边有咱们的总指挥、副总指挥，我作为总规划师也跟着咱们一同跑。

这种心境十分复杂，我取了一个名字叫“送亲”。这真的就好像自己的女儿长大了要出嫁，咱们期望它好好地去迎候一个成功的、圆满的日子，一同咱们仍是恋恋不舍的，由于我参加卫星研发作业24年了。

“送亲”路上

2017年，48岁的我在酒泉卫星发射基地给官兵们做陈述的时分说，我生命一半的时间都和卫星联络在一同。我其时做的科普陈述跟今日的内容不太相同，他们听完今后特其他感谢，觉得学到了许多常识。我说我首先要感谢的是你们，由于你们为我生命一半时间所做的一个项目供给了发射服务。

这是在发射当天清晨5点30分的时分，咱们要去值勤，要了解卫星最终的状况是不是正常。去之前咱们照了一张相片，中心挎了一个斜包的、个子最矮的便是我。

发射当日清晨5:30，载荷岗位操作人员在动身前合影

其实当天晚上咱们十分的疲乏，咱们一晚上没睡好觉。那天晚上，我写了一篇散文，细述了我参加这个项目，里边经历过的那些让自己难忘的时间，然后发送到咱们发射圈的群里边，与咱们一同共享。其实咱们基本上都睡不着。咱们清晨四点钟起床，然后吃饭、收拾，咱们把行李箱都要准备好。

6月15日11点，卫星在酒泉卫星发射基地成功发射，其时咱们许多搭档在发射场都流下了眼泪。后来他们问我，说卢教师，你流眼泪了吗？我回想了一下，说我一滴眼泪也没有流，我说我其时的感觉便是火箭千万别歪呀！别掉下来呀！那种感觉现已不或许说让你放松，尽管火箭发射成功了，可是卫星怎样样还不知道呢。

2017年6月15日11时00分，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙（CZ-4B）运载火箭成功将硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”发射升空，卫星顺畅进入预订轨迹

成功发射今后，12点钟，咱们吃完饭就要立刻赶路去西安。这是我人生写的榜首首词，很短。由于词写起来很难，它要讲平仄，又要讲押韵，所以找了首《忆江南》，是最简略的一首词。我是这样写的：“春风远，彩虹留天边。落日沙洲弱水绕，狼心山上步维艰，抬首望西安。”

咱们看到彩虹桥现已是模模糊糊在天边了，这时分咱们回想在基地里的年月，其实也是在回想咱们自己和卫星相伴的这些年年岁岁。咱们攀爬狼心山时的困难也就标志着咱们这些年来和卫星在一同的那些困难的时间。克服了困难，不要再思念曩昔，咱们要从速赶到西安去，由于咱们要到西安卫星测控中心，到那里才干把咱们的这些载荷开机，看它们的目标参数是不是正常。

到了西安今后，咱们翻开一切的载荷，上面的科学仪器总共有70台，悉数作业正常。到现在为止，卫星作业了一年半多，现已执行了各类观测一千余次，也获得了许多的科学效果。

我简略讲一下其间几项科学效果。比方方才讲了，咱们的卫星上天便是要去勘探极点天体，像黑洞和中子星。比方这是咱们研讨的一种现象，黑洞具有强引力场，它会使得周围的时空歪曲或许说坐标系变形。假如一个黑洞旋转的时分，它就会带着周围的坐标系一同旋转。

在这样一个旋转的坐标系里边，物质是怎样运动的，又是怎样加快的，怎样辐射的？黑洞自身不发光，可是物质掉入黑洞的进程中会宣告强的X线辐射。那么通过这样一些辐射，就能够了解究竟这儿边是什么样的时空结构，方才讲的物理规则怎样去完结。这样一个旋转它会发作一种叫准周期的改变特性，咱们叫准周期振动。

由于时空拖曳效应，黑洞体系自转会导致周围的物质运动发作准周期特性

2004年，美国哈佛大学的一位科学家P.Kaaret提出来一个比较大的卫星项目。其时美国的RXTE卫星现已运转十年，作业得十分好。他提出来说要做下一代RXTE卫星的继任者，它叫RAE，便是相对论天体物理探究卫星，想勘探出黑洞对周围时空结构的影响。

他在这个项目说明里放了仅有的一张图，他说咱们通过RXTE卫星观测到了黑洞里边的准周期改变，便是前面说到的和黑洞自转、时空拖曳、坐标系歪曲密切相关的这种准周期的行为。它的起伏跟着能量是往上走的，可是由于它的能量段有限，不知道往上还会继续怎样走。

一般以为，假如光子能量越高，它越起源于离黑洞近的当地，RXTE卫星大约到了30千电子伏以上就不行了。但他期望了解更高能量的当地会有一些什么样的特性，这样对黑洞的了解也会愈加深入。

论文截图

“慧眼”卫星能够到达200千电子伏。这个信息十分重要，由于几十千电子伏，它能够是热辐射进程，电子仍是一个热运动，它不是相对论的运动，到了100千电子伏以上都是相对论性的运动的电子发射出来的辐射。在与黑洞接近的区域，有些什么样的物理进程在发作，为什么在那样的区域会发作这样的进程，通过“慧眼”卫星的观测，咱们能够描绘物质运动的进程，还能够描绘物理规则的改变。

黑洞双星MAXI J1820+070不同能量段的功率谱，“慧眼”在150-200keV勘探到了明显的准周期振动（QPO）信号，将对QPO研讨的能量上限进步了近1个数量级，翻开了在硬X射线能区研讨QPO的新窗口

“慧眼”卫星还能够观测中子星的磁场，咱们看到了来自中子星的回旋吸收线。闻名的物理学家朗道提出，假如磁场满足强的时分，电子绕着磁力线运动，或许它的这个能级是量子化的，这时分通过量子化能到的能级就能够丈量磁场的强度。

咱们以20倍规范偏差（规范偏差便是脱离正常的涨落有多少倍，假如这个倍数越高它就越明显）看到这样一个天体，也便是说咱们直接丈量到了世界中最强的磁场。

GRO J1008-57的回旋吸收线以及回旋吸收线随相位演化状况

在咱们之前，美国的卫星和日本的卫星联合起来，他们测到了一个4倍规范偏差，在物理学上，咱们一般是以5倍规范偏差作为一个发现的根据。咱们要实施观测，当然期望超越5倍规范偏差，我没想到“慧眼”卫星的才干这么强，最终完结了20倍规范偏差，现已远远超越了发现的规范。

“慧眼”卫星对中子星的观测还有一些很有意思的工作。我拿这篇文章来讲，是由于这篇文章和中关村中学也有联系，这篇文章的榜首作者的“师姐”就在中关村中学的高二学习。一般咱们跟着教师学习的时分，都是以“进门”的前后作为区别，谁在前面谁便是师兄或许师姐，后边入门的便是师弟或许师妹。他入学的时分，他的导师现已有了一个4岁的女儿，然后这个4岁的女儿现在在你们的中学读高中二年级，所以她的“师弟”获得了一个十分重要的效果，我想展示给咱们。

这个效果实践上是描绘中子星外表发作热核聚变的进程，这个进程十分有意思，它能够用来丈量中子星的半径，咱们知道用其他办法能够丈量中子星的分量，有了半径和分量今后，咱们就能够了解中子星反抗引力或许反抗压力的物理进程。

“慧眼”在4U1636-536中观测到了单个热核暴期间低能光子对高温电子的冷却效应，而此前的卫星需求叠加十个乃至几十个暴才干得相似效果

“慧眼”卫星在2018年1月8日召开了榜首届用户大会，在2018年12月17日召开了第二届用户大会，来自全球的200多位科学家现已成为咱们的科学用户，一切科学效果会源源不断地发作。“慧眼”卫星运转得很好，咱们预期它还会有好几年的寿数。

榜首届“慧眼”科学用户大会

未来

我国在开展，科学在前进，它必定是一个不断翻滚向前的进程。2007年，我和我的搭档们一同提出了“慧眼”卫星的后续类型，其时还叫hxmt卫星，我说咱们“慧眼”卫星现已提出14年了，2007年的时分还没有正式立项，下一颗卫星必定还会通过十分困难曲折的进程。

eXTP示意图

通过十几年的预研，2018年3月的时分，我国科学院批复了咱们做这样一颗卫星，这个项目大约要花费30亿元，是我国牵头的、多国协作的这样一个大型的空间科学的卫星项目。

咱们和国外的同类卫星比较，它的才干稀有量级的进步，能够说是我国从一个开展我国家到一个大国再到一个强国这样一步一步开展的一个缩影。

eXTP才干与国外同类卫星的比较

3月，科学院宣告咱们要制作这颗卫星今后，美国的《科学》杂志（全世界最重要的报导科学范畴相关效果和动态的一本杂志）宣布了一篇文章，说我国在为一个雄心壮志的X射线地理台磨刀，这个项目将安定我国在X射线地理范畴领导者的位置。

美国《科学》杂志专文报导eXTP卫星项目

我是这个项目其时最早的提出者，后来实践上真实推进的时分，我的师兄张双南研讨员起的效果比我重要得多，他现在是这个项目的首席科学家，我是他的项目经理。在承受《科学》杂志记者采访的时分，我表达了这样一个主意，我说多年以来，咱们都在用欧洲或许美国的卫星数据进行科学研讨，现在我国开展了，咱们也期望为外国的科学家做出这种根底性的奉献。

采访文字截图

为什么我说这件工作？我国的科学开展肯定不能只数一数咱们宣布了多少篇科学论文，由于这只是在收割最终的粮食。真实要让科学健康开展，咱们必定要从很初期的一系列概念的设想、仪器的研发、科学的规划、最终的出产到最终的发射运转，构成一个完好的链条。这样，咱们的科学才干继续地、健康地、持久地开展下去，才干够获得真实严重的效果。

谢谢咱们！

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