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空间硬X射线调制望远镜

减小字体 增大字体 作者:李惕碚 吴 枚  来源:不详  发布时间:2008/10/18 8:06:22
摘 要 用宇宙作为物理实验室,探索在地球上无法企及的条件下,例如极早期宇宙或黑洞视界附近强引力场中的物理规律,已成为新世纪物理学和天文学共同的前沿课题;空间天文观测是其中一个最重要的研究途径.自主研制和发放空间硬X射线调制望远镜(HXMT),实现中国空间天文卫星零的突破,是中国《“十一·五”空间科学发展规划》的目标之一. HXMT 将实现宽波段X射线 (1—250 keV) 巡天,其中在硬X射线波段具有世界最高灵敏度和空间分辨率,发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射;HXMT还将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程. 基于成像技术创新提出HXMT项目迄今已有15年,能不能抓住技术创新所提供的科学机遇仍然是一个严重的挑战.
  关键词 高能天体物理, 黑洞, 空间天文
  
  The hard X-ray modulation telescope mission
  LI Ti-Pei1,2, WU Mei1
  (1 Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
  (2 Center for Astrophysics, Tsinghua University,Beijing 100084, China)
  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射线天文学的开拓
  
  天体的高能辐射(X射线、γ射线)被地球大气吸收,必须在地外空间才能被观测到.1962年,美国科学工程公司一个青年核工程师贾科尼(R. Giacconi),联合麻省理工学院的学者,用探空火箭把X射线计数器放到高空,探测月面被太阳照射时产生的荧光X射线,意外地在月亮和太阳以外的天区探测到一个很强的X射线源[1].当时用的X射线探测器不能成像,只能测得宽视场中的X射线光子计数,不能确定X射线天体的位置.1965年,在美国工作的日本学者小田(M. Oda)提出准直器调制定位方法[2],可以利用简单的X射线计数器确定X射线源的方位.1966年,贾科尼、小田等将加了准直器的X射线探测器用火箭重新发射上天,测出这个X射线源在天蝎座,这就是人类发现的第一个宇宙X射线源天蝎座X-1.1970年,采用这一技术的X射线天文卫星“Uhuru(自由号)”上天.Uhuru实现了人类历史上首次X射线(2—20 keV)巡天,发现了400多个宇宙X射线源. 其后,贾科尼等发展了X射线掠射成像技术,发放了“爱因斯坦天文台”等X射线成像卫星,使X射线天文学走向成熟.2002年,贾科尼由于开拓了人类观测宇宙的新窗口——X射线天文学而被授予诺贝尔物理学奖.
  
  2 硬X射线天文
  
  对于研究天体极端条件下的高能过程,光子能量高于10—20 keV的硬X射线是比X射线更重要的窗口.例如,黑洞吸引周围物质形成吸积盘,其最后一个稳定轨道内边缘的温度达到数百万、上千万度,发射强烈的软X射线.而从吸积盘边缘到黑洞视界的高温等离子体温度高达数十亿度,这个区域主要发射比软X射线能量更高的硬X射线.所以,硬X射线是研究邻近黑洞强引力场区域时间、空间和物质性质的关键波段.而且很多巨型黑洞被尘埃包围,软X射线无法穿透,只能用硬X射线探测器去发现它们.上世级90年代初,美国科学研究委员会天体物理委员会在规划未来十年美国天体物理发展的报告中指出,高能天文观测存在一个重要的缺口,就是硬X射线波段,预期这个波段将是非常富有成果的领域,报告将硬X射线成像列为优先级最高的90年代空间高能项目;美国宇航局也把硬X射线巡天列为90年代空间高能天体物理的首要任务.
  硬X射线成像比X射线成像困难得多.上世纪70年代开始发展了编码孔径成像技术, 它是用探测器阵列与编码孔板构成的编码孔径望远镜,记录不同方向入射的光子编码板投影的叠加,然后再借助于解调或者反演的数学方法求出

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