黑洞，這個(gè)詞對于大部分人來講并不陌生。許多以時(shí)空、宇宙為題材的電影作品，都出現(xiàn)過它的名號。

30名研究人員耗時(shí)一年，用數(shù)千臺計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行精確模擬，終于在《星際穿越》中大膽勾勒了黑洞的樣子

圖源：sina.com

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雖然是熒幕中的?？?，事實(shí)上，我們對黑洞還知之甚微。它難以言喻的神秘、強(qiáng)大而詭異的美感，不光只是藝術(shù)創(chuàng)作的靈感源泉，更是人類智慧進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。一點(diǎn)一點(diǎn)掀開它的面紗，或許會(huì)使我們對宇宙、生命產(chǎn)生完全不同的認(rèn)知。

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引力的神秘孩子：黑洞和中子星

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一顆蘋果的落地為人類帶來了“引力”的概念，而也正是它，在極端宇宙中孕育了各種神奇的天體。

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當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星以絢爛的超新星爆炸結(jié)束自己的生命后，殘留質(zhì)量如超過了太陽的1.4倍，就難以抵抗自身引力的拉扯，坍縮成了體積小、質(zhì)量大、密度高的中子星。如果超過了太陽的3-4倍呢？那就厲害了！引力將狂暴地席卷一切，徹底坍縮為“黑洞”。

中子星和黑洞。一顆中子星可能只有一個(gè)小城市那么大（典型直徑20km），但質(zhì)量卻可能是地球的幾十萬倍以上。

圖源：《活捉黑洞：中國慧眼看到極端宇宙》

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1783年，英國劍橋大學(xué)的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾開了個(gè)清奇的腦洞，利牛頓公式他計(jì)算了逃離地球和太陽引力的速度，并推論如果一個(gè)質(zhì)量足夠大且足夠緊致的恒星，其強(qiáng)大的引力場會(huì)使星體上的光都無法逃脫，也無法觀測。十余年后，法國數(shù)學(xué)家拉普拉斯也得出了類似的推論，并將其命名為“暗星”（Black Star）。這就是200多年前，我們對“黑洞”最初的認(rèn)識。

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這個(gè)概念直到愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，有了引力對光的協(xié)調(diào)影響的理論，才開始被世界接受。從此，它在科學(xué)家們的演算紙中，以數(shù)學(xué)模型的形式成長了起來，逐漸具有了更豐富的物理內(nèi)涵。

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上世紀(jì)60年代脈沖星（以均勻時(shí)間間隔輻射脈沖的中子星）的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了中子星的存在。原來一顆恒星真的可以坍縮至如此小！那擁有更大質(zhì)量的恒星更劇烈的坍縮也不是不可能的了。這也大為振奮了深信“黑洞”（Black Hole，脈沖星發(fā)現(xiàn)后不久，就被一位美國科學(xué)家正式命名了）存在的科學(xué)家們。

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第一顆脈沖星的發(fā)現(xiàn)者喬斯林·貝爾

脈沖星的發(fā)現(xiàn)被譽(yù)為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”之一

圖源：iflscience.com

被稱為“宇宙燈塔”的脈沖星示意圖

圖源：ech.qq.com

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很快，世界第一顆X射線天文衛(wèi)星烏呼魯（Uhuru，原意是“自由”）在1971年為人類帶來了“黑洞”存在的證據(jù)。它捕捉到的一個(gè)強(qiáng)X射線源，是一個(gè)不可見的、質(zhì)量是太陽約10倍的致密天體——天鵝座X-1。如此龐大的質(zhì)量，讓科學(xué)家們認(rèn)定它為黑洞無疑。

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世界第一顆X射線天文衛(wèi)星“烏呼魯（Uhuru）”

圖源：baike.baidu.com

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經(jīng)過幾百年的努力，我們已經(jīng)將極端宇宙大門推開了一絲縫隙，感受到了門后世界的浩大和無盡神奇。理解“黑洞”，可能將左右人類對宇宙未來的認(rèn)識和預(yù)測；而中子星作為天然的高能加速器，也可幫助我們進(jìn)行無法在地球上的加速器開展的研究。不過，所有對于它們這樣那樣的推論和猜想，都需要用“看”到的實(shí)際證據(jù)來驗(yàn)證。

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迢迢黑洞，一“線”牽

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黑洞在宇宙中設(shè)下了“引力陷阱”，連光都會(huì)悶不吭聲地掉進(jìn)去，這樣決心低調(diào)到骨子里的天體，叫人怎么能“看”清楚呢？

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引導(dǎo)我們走近它的關(guān)鍵，就是X射線。

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用一個(gè)比較簡單易懂的說法：長期在宇宙中“歲月靜好”的黑洞卻有一個(gè)天生的習(xí)慣，那就“貪吃”。當(dāng)它旁邊有物質(zhì)存在時(shí)，霸道的引力會(huì)將這些物質(zhì)統(tǒng)統(tǒng)“吃掉”。大快朵頤期間，由于它“嚼”得實(shí)在是太激烈了（畢竟引力技能滿點(diǎn)?。?，帶電粒子會(huì)在這樣的高溫、高密度、強(qiáng)磁場、強(qiáng)引力場等極端物理?xiàng)l件下產(chǎn)生高能輻射，這個(gè)時(shí)候黑洞就“亮”了！

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不過發(fā)出的光并不是可見的光，而是比其高能成千上萬倍的X射線，甚至是γ射線。一般意義上，輻射出的X射線能量越高就意味著越靠近黑洞。

貪吃的黑洞

圖源：《活捉黑洞：中國慧眼看到極端宇宙》

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不同物理?xiàng)l件的天體，發(fā)出的電磁輻射的性質(zhì)不盡相同。正因如此，通過研究宇宙X射線可幫助我們反推黑洞的物理狀態(tài)。鑒于地球大氣會(huì)將這些高能X射線吸收，所以衛(wèi)星成為了最重要的觀測工具。

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1962年，美籍意大利裔天文學(xué)家里卡爾多·賈科尼利用探空火箭，意外發(fā)現(xiàn)了除太陽以外的第一個(gè)宇宙X射線源——天蝎座X-1，從此開啟了X射線天文學(xué)。在“烏呼魯”正式樹立起里程碑后，從20世紀(jì)七十年代始，包括英國、美國、荷蘭、日本等多個(gè)國家，都相繼發(fā)射了一系列的X射線天文衛(wèi)星，邁向了深空。

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第一個(gè)探測宇宙X射線的實(shí)驗(yàn)

Giacconi et al., Phys. Rev. Lett., 9, 439 (1962)

圖源：ihep.cas.cn 《仰望星空—探索黑洞的歷程》

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而之前被送往宇宙的諸多衛(wèi)星，大多都“專情”于波長較長、能量相對較低（0.1 keV-10keV）的軟X射線波段。雖擁有很高的靈敏度，卻容易飽和，較擅長觀測“安靜”的黑洞。而那些迸射出波長較短、能量相對較高（10 keV -1000 keV）硬X射線的“暴躁”黑洞，容易被它們所錯(cuò)過。

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和軟X射線觀測相比，硬X射線觀測可以擺脫熱輻射的影響；和γ射線觀測相比，由于光子的流強(qiáng)足夠高，更易于被觀測，可用于黑洞附近區(qū)域的物理性質(zhì)及變化的詳細(xì)研究，這也讓其也成為了X射線天文觀測發(fā)展的一個(gè)重要方向。而最新的一顆同時(shí)擁有高靈敏度和分辨率的硬X射線望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星HXMT，就是在中國誕生的。

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（本圖為僅為示意）

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終得“慧眼”，開啟一場偉大的宇宙探索

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20世紀(jì)80年代，李惕碚、顧逸東、吳枚等第一批推動(dòng)我國空間天文和其他空間科學(xué)探測的科學(xué)家出現(xiàn)了。通過不懈努力，并在著名核物理學(xué)家何澤慧先生的大力支持下，中國第一個(gè)用于空間高能天文觀測的硬X射線望遠(yuǎn)鏡，由高空氣球“HAPI-1”送入了33千米的高空，飛行了8小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了平流層高度上的天體X射線觀測。

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何澤慧先生在香河氣球發(fā)放場

圖源：ihep.ac.cn

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不過X射線，特別是硬X射線，波長極短、能量極高，如是普通的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，射線會(huì)直接撞擊或者穿透鏡面，無法發(fā)生反射和折射，進(jìn)而無法成像。雖然編碼孔徑成像技術(shù)和掠射式鏡面技術(shù)解決了這個(gè)問題，但運(yùn)用這兩種方法制造的望遠(yuǎn)鏡都十分復(fù)雜和昂貴，對于當(dāng)時(shí)中國的工業(yè)和科技水平來講都非常困難。

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困局在1992年被打破了。李惕碚院士和吳枚研究員創(chuàng)新性的提出了直接調(diào)制成像方法，這種新的算法即使無法實(shí)現(xiàn)聚焦，仍可有效地將調(diào)制后的信號還原成圖像。結(jié)合掃描探測技術(shù)，基于直接解調(diào)制成像法的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）的建議于1993正式提出。但由于太過“神奇”，經(jīng)過了長達(dá)18年艱辛的理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析工作，終于于2011年迎來了立項(xiàng)。遺憾的是，同年何澤慧先生與世長辭，為紀(jì)念先生，HXMT升空后被賦予了另一個(gè)名字——“慧眼”。

左：球載硬X射線望遠(yuǎn)鏡HAPI-4，對直接調(diào)制成像方法進(jìn)行了驗(yàn)證

右：1994年9月HXMT的項(xiàng)目建議書

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HXMT衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南研究員曾介紹到，十八年間，科學(xué)前沿以及X射線探測技術(shù)都有了較大的變化。所以，對這顆衛(wèi)星的研究目標(biāo)和手段也進(jìn)行了調(diào)整，能區(qū)范圍已經(jīng)擴(kuò)大到了1~250keV。不同能段的觀測任務(wù)被分別分配到了高、中、低能望遠(yuǎn)上，其中最為受到關(guān)注的，則是高能望遠(yuǎn)鏡上的18個(gè)主探測器。

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“慧眼”的18個(gè)主要探測器

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這18個(gè)主探測器每個(gè)直徑19cm，總面積高達(dá)5000cm2，是目前世界上面積最大的空間X射線探測器陣列。它擔(dān)任著高能能區(qū)，也就是硬X射線波段的探測任務(wù)，為我們捕捉光子的能量和時(shí)間等信息。之所以它可以敏銳的“看到”硬X射線，其核心部件——碘化鈉和碘化銫的復(fù)合晶體可謂是功不可沒。

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碘化鈉和碘化銫是兩種對X射線非常敏感的晶體，它可以將“高深”的X射線“語言”轉(zhuǎn)化為探測器可以讀懂的“語言”（熒光信號）。然而，想將這樣大面積且將多種厚度不同的晶體光導(dǎo)材料進(jìn)行高質(zhì)量的耦合，并實(shí)現(xiàn)在良好的抗震性能和密封性的基礎(chǔ)上，達(dá)到世界一流的分辨率，是十分困難的。可以說，探測器是否優(yōu)越和穩(wěn)定，最終取決于封裝工藝。

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滿足機(jī)械抗震指標(biāo)是基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高分辨率是核心，這需要擁有雄厚的技術(shù)功底。雖面臨著國外技術(shù)和產(chǎn)品的“封殺”。但最終在負(fù)責(zé)HXMT高能望遠(yuǎn)鏡的中科院高能物理研究所研制團(tuán)隊(duì)和北京濱松光子技術(shù)股份有限公司的共同努力下，經(jīng)歷了一系列艱辛的過程后（29輪試制，制作了30多個(gè)樣品），終于解決了同時(shí)滿足整體性能及抗震指標(biāo)的大面積復(fù)合晶體封裝問題，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

濱松5英寸光電倍增管

HXMT高能望遠(yuǎn)鏡的主探測器（右下：復(fù)合晶體）。探測器讀出端采用的是濱松公司的5英寸端窗式光電倍增管，除了良好的工作穩(wěn)定性，抗震性能也是核心指標(biāo)。為了保證產(chǎn)品整體性能達(dá)標(biāo)，濱松公司也專門成立了抗震性能研發(fā)小組，在有限時(shí)間內(nèi)，保質(zhì)保量完成了供貨，并額外提供了樣品，保障了項(xiàng)目的順利進(jìn)行。同時(shí)濱松公司生產(chǎn)的硅光電倍增管（MPPC）也被使用在了慧眼衛(wèi)星的軌標(biāo)定探測器中。這是硅光電倍增管在世界范圍內(nèi)首次被用于衛(wèi)星項(xiàng)目中，也驗(yàn)證了其在空間使用的可靠性。

濱松MPPC產(chǎn)品（部分）

當(dāng)然，歷經(jīng)艱難的不止只有高能團(tuán)隊(duì)，中能、低能望遠(yuǎn)鏡及地面等團(tuán)隊(duì)都經(jīng)受了巨大的考驗(yàn)，每一步的進(jìn)展都伴隨著起起伏伏，一條長征路走得艱辛，卻也是單單一個(gè)“艱辛”所無法去涵蓋和形容的。終于，伴隨著HXMT的正式誕生，幾代中國空間天文學(xué)研究者的夢想開出了珍貴的花朵。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）——“慧眼”

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2017年6月15日，HXMT衛(wèi)星在酒泉火箭發(fā)射中心順利升空，在軌測試期間，通過多天區(qū)的掃描成像觀測和特定天區(qū)的定點(diǎn)觀測，以及伽馬射線暴監(jiān)測等測試，各項(xiàng)功能和性能都得到了驗(yàn)證，并取得了銀道面掃描監(jiān)測、黑洞及中子星雙星觀測、伽馬射線暴、引力波電磁對應(yīng)體探測、太陽耀發(fā)、特殊空間環(huán)境事件等初步科學(xué)成果。

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其中，最為引人注目的，則是2017年8月對引力波GW170817事件電磁對應(yīng)體的成功監(jiān)測，這也讓人類在引力波觀測中終于變得“耳聰目明”，慧眼衛(wèi)星對其高能段的輻射給出了嚴(yán)格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機(jī)制做出了重要貢獻(xiàn)?；垩坌l(wèi)星團(tuán)隊(duì)反應(yīng)迅速，在全球70多個(gè)團(tuán)隊(duì)中，中國慧眼望遠(yuǎn)鏡是第七個(gè)報(bào)告成果的，在本次引力波事件最重要的發(fā)現(xiàn)論文的正文部分有‘慧眼’的觀測結(jié)果。此外，“慧眼”的詳細(xì)分析結(jié)果以獨(dú)立論文的形式于2017年10月16日同步發(fā)表在《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》雜志英文版的網(wǎng)頁版。

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HXMT衛(wèi)星成為了中國空間X射線天文的開端，實(shí)現(xiàn)了寬波段、高靈敏度、高空間分辨率X射線巡天、定點(diǎn)和小天區(qū)觀測，在世界現(xiàn)有X射線天文衛(wèi)星中，具有先進(jìn)的暗弱變源巡天能力、獨(dú)特的多波段快速光變觀測能力等優(yōu)勢，也將中國正式推上了世界空間天文的大舞臺。

2018年1月30日，HXMT衛(wèi)星正式完成了在軌交付，如今它也正翱翔于宇宙，以一雙“慧眼”，以期為人類探尋黑洞，以及更多的深空奧秘做出貢獻(xiàn)。

載夢翱翔于宇宙的“慧眼”衛(wèi)星

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參考文獻(xiàn)：

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星：巡天監(jiān)測，刷新人類認(rèn)知極限，倪偉波，《科學(xué)新聞》空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)特刊；

仰望星空——探索黑洞的歷程，李惕碚，中國科學(xué)院高能物理研究所官網(wǎng)；

透視宇宙的眼睛——“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”，盧方軍，中國科學(xué)院高能物理研究所，《國際太空》2009年第12期；

“黑洞，我來啦！”:“慧眼”空間X射線天文衛(wèi)星自述，熊少林，中國科學(xué)院高能物理研究所，科學(xué)大院公眾號荔枝網(wǎng)轉(zhuǎn)載；

“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡到底能做什么？，杭添仁，知乎；

【人民日報(bào)海外版】人類首次“看到”引力波事件 中國“慧眼”做出重要貢獻(xiàn)，吳月輝，中國科學(xué)院高能物理研究所；

《中國科學(xué)報(bào)》 (2017-11-06 第5版 創(chuàng)新周刊) 探測引力波事件的“中國身影”，高雅麗。