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硬X射线卫星立项用了20年 原本属于它的成果还在吗

6月15日11时整,中国第一颗空间X射线天文卫星——硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope)卫星成功发射。中国终于有了一座真正意义上的太空望远镜。
 
这原本应该是中国的第一颗天文卫星,之前更被成为中国版“哈勃”,如果它能够在原定计划的2015年发射的话。不过因为在2015年底,暗物质粒子探测卫星“悟空”已经成功发射,因此“悟空”被视为中国的第一颗天文卫星。
 
和“悟空”一样,这颗卫星也被赋予了一个极具中国味道的名字——“慧眼”。
 
但是让我们觉得可惜的是,不是这颗卫星原本可以成为中国的第一颗天文卫星,而是这颗卫星原本可能成为世界上第一颗关注硬X射线波段的卫星,但是单单立项,就花了整整二十年。
 
时间回拨到1992年。当时面对国外空间天文学的蓬勃发展和国内缺乏良好的观测台址的现状, 中国天文学家也希望开展空间天文研究。
 
而针对黑洞、脉冲星、伽玛射线暴、超新星遗迹等高能天体现象,所产生的主要辐射是在X射线波段,但是由于X射线无法穿越大气层,就必须要到太空去观测。事实上,天文学家发现的第一颗黑洞天鹅座X-1就是用X射线天文望远镜发现的。
 
但是当时中国还没什么钱,一个课题有几万几十万,就很不错了。美国和欧洲国家为了寻找黑洞、寻找暗物质,制造的X射线观测设备至少上千万美元多的更要几亿几十亿。
 
当时中科院高能所的李惕碚院士提出了一个新的想法,费用便宜、方便简单,可以对黑洞等进行高灵敏度定向观测,就是硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)。
  
1999年美国发射的钱德拉X射线望远镜,只能观测到波长在0.1nm以上的X射线(被称为软X射线),对于高能辐射的天体无能为力。而硬X射线调制望远镜关注的能级更高,波长很短,国际上普遍采用准直型望远镜进行探测,但准直型望远镜的缺点在于它会损失很多探测光子的信息,从而导致这种方法的探测结果精度较低。
 
为解决这个问题,美国采用了复杂的编码孔径成像技术,先记录下不同方向射入的“光子编码板”投影的叠加,然后再借助于解调,或是反演的数学方法求出影像。
 
而李惕碚院士提出了一个更简便的方法,就是用一个准直器来限制探测器的视场,通过扫描获取数据,然后直接求解观测方程来还原X射线强度的空间分布。
 
在1993年,他们首次尝试用高空气球硬X射线扫描观测中,取得了对天鹅座X-1的高分辨率成像。
李惕碚院士
 
这种直接解调成像方法,价廉物美得让人难以相信。但当时由于作为核心的解调方法还有待确认,这直接导致1994年HXMT申请进入“九五规划”立项受阻。谁知这一拖就是十三年。
 
在此期间,李惕碚与他的团队利用国外的卫星数据,通过直接解调方法取得了一系列新的成果,包括发现了新天体和新现象,发表了数十篇论文。2002年在意大利举行的“国际空间科学暑期讲习班”上,HXMT硬X射线望远镜同美国钱德拉X射线望远镜、欧洲牛顿望远镜等项目,被选为8个最重要的空间项目之一。
 
凤凰周刊记者胡佳恒2010年曾经在文章中介绍,在国内,HXMT项目为设法进入国家规划,不停的接受专家评审,其中有一次已经通过,又遭到国内其他科学家的质疑,不得不推倒重来,再次评审。
 
在没完没了的口水战中,2002年欧空局发射了硬X射线卫星Integral(国际伽马射线天体物理实验台),两年后美国发射Swift(雨燕)巡天卫星。
 
虽然这两颗卫星采用的是传统技术,造价高,性能比HXMT差,但是取得了许多重要的观测成果,而中国却丧失了实现人类首次硬X射线成像巡天的机遇。
 
雨燕望远镜,曾经被评为世界最具科学影响力的十大天文望远镜中的第二名,排名仅次于斯隆天文台,排名还在哈勃空间望远镜之前。
雨燕望远镜在工作第一年就捕获伽玛暴
 
也是因为看到了国外同行的迅猛进展,2007年,HXMT项目才被写进《“十一五”空间科学发展规划》,但是经费又迟迟无法落实。此后又经历大部制调整,项目又被搁置。
 
李惕碚曾经说,在空间科学领域,引进项目、合作项目往往进展顺利,而对于HXMT那样的自主开发项目进展缓慢。
 
就在中国2007年3月通过《“十一五”空间科学发展规划》向全世界公布了发射硬X射线卫星HXMT计划后,同年9月,美国NASA突然宣布批准使用另外一种更加先进的成像技术的硬X射线望远镜卫星NuSTAR“核光谱望远镜阵列”立项,计划于2011年8月发射。
 
李惕碚说当时就提醒说,如果NuSTAR抢在HXMT之前上天,将抢走许多原本应由HXMT取得的成果。而同时美欧还正在进行探测黑洞大型卫星的预研。
 
HXMT工程若再拖下去,尚存的科学机遇将完全丧失。
 
李惕碚曾无奈地说: 
 
“HXMT如果得不到财政支持继续拖延下去,就会在激烈的国际竞争中丧失时机,而成为一个罕见的反面事例:一个国家在长达15~20 年的时间里都抓不住自主创新所提供的科学机遇。当然,提供反面的教训也是贡献吧!”
 
直到2013年1月,从中科院院长白春礼透露,在先导科技专项空间科学方面,中科院已经启动了量子科学实验卫星、硬X射线探测卫星、暗物质探测卫星、返回式科学试验卫星和夸父计划卫星的工程研制。其中,硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星已进入初样研制阶段。
 
从1992年到2013年,二十年就这么白白过去了。
 
其实只要立项了,这个项目可以进展很快。2016年3月3日政协会议开幕前,中科院院士、卫星专家叶培建委员告诉科技日报记者,今年,微重力卫星、量子通信卫星和硬X射线探测卫星会相继上天。
 
作为是一颗工作于硬X射线能区(1~250千电子伏特)的空间高能天文卫星,用于完成深度巡天,可发现大量巨型黑洞、大批硬X射线天体和一系列天体高能辐射新现象,绘出高精度的硬X射线天图。
 
该卫星具有比欧洲2002年发射的国际伽马射线天体物理实验台(Integral)、美国2004年发射的雨燕(Swift)更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力,能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体,并研究宇宙硬X射线背景的性质。
 
但是现在做这种比较,已经晚了。因为在Integral,Swift之后,被称为“黑洞猎手”的NuSTAR已经于2012年发射升空,原本应由HXMT取得的许多成果,已经被抢走了。
 
其实很多项目就是这样,在一堆专家坐在一起评审的时候,总是有人提出国外有没有先例,我们是否可以借力,当我们一旦走到了所有人的前面,就一片茫然了,不知道该怎么办,是不是等等看。
 
但是中国要想作leader,靠的不是花多少钱,靠的就是这种时候的决断。
 
作为HXMT的后续任务,高能所在2007年的时候提出了X射线时变与偏振探测卫星(XTP)项目。
 
目前这一项目已经吸引到了来自欧、美、日的将近20个发达国家的参与和支持,有望成为有史以来中国发起并领导的由最多发达国家实质性贡献的大型国际合作科学项目。
 
要习惯这种作leader的感觉。
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