中国首台太空望远镜.docx

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中国首台太空望远镜

硬X射线调制望远镜

——中国首台太空望远镜将发射升空

工程总投资：

—

工程期限：

2000年——2015年

M51漩涡星系这个星系位于猎犬座，距离我们3100万光年之遥，直径12万光年，质量相当于1600亿个太阳！

它是因为具有清晰的星系漩涡臂才被如此命名的。

M51也是最早确知的旋涡星系，在这个漩涡星系的核心中，天文学家已经鉴定出有一区域是聚集着稠密的年轻恒星。

核心的亮区可能是由数百万个年龄只有太阳的十分之一的恒星所聚集而成的。

在这个横跨80光年的区域，由于这些恒星太过拥挤，以至于假设我们住在其中一颗恒星旁的行星上时，我们所看到的在M51的旁边，还有一个伴星系NGC5195，伴星系比主星系小很多，直径7.6万光年，质量却比主星系大，有3100亿个太阳那么大。

是一个不规则星系。

可以看到，主星系的一条旋臂已经发生了变形，在它和NGC5195之间形成了一个联系这两个星系的物质桥，就好似一个大人用手牵着一个小孩子。

因此，M51被人们戏称为带孩子的星系。

 天文望远镜是观测天体的重要手段，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。

　人类为了摆脱厚厚的大气层对天文观测的影响，一方面设法选择海拔高、观测条件好的地方建立天文台，另一方面设法把天文望远镜搬上天空。

著名的“柯伊伯机载天文台”，就是在c141飞机上安装望远镜，飞行高度在万米以上，曾用于观测天王星掩星。

自从1957年第一颗人造卫星上天以后，各国先后发射了数以百计的人造卫星及宇宙飞行器用于天文观测。

像美国的“天空实验室”就拍摄了17.5万多幅太阳图像，还观测了科胡特克彗星。

著名的哈勃空间望远镜，是目前最先进的空间望远镜。

人们把它的诞生看成伽利略望远镜一样，是天文学走向空间时代的一个里程碑。

   随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。

从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。

 HXMT卫星望远镜组件,和光学望远镜不同的是,它其实为一组工作在不同波段上的X射线探测器,左边突出的是低能X射线探测器;中间圆形的是高能X射线探测器;右边是中能X射线探测器

中国首台太空望远镜将发射升空

   2010年至2011年间，我国首台太空望远镜将发射升空，与“哈勃”太空望远镜一起遨游宇宙。

这是2009年3月23日，记者在复旦大学“院士专家讲坛”上获悉的。

苏定强院士透露，“硬X射线调制望远镜”的升空，将实现我国太空望远镜零的突破。

此外，“空间太阳望远镜”也列入国家科研计划。

这标志着我国天文观测将向太空全面“进军”。

   2009年是“国际天文年”，也是伽利略首次用望远镜观测天体400周年。

据天文学家苏定强院士介绍，传统的天文观测都是在地面上进行的，地球大气会给观测带来不少限制。

如大气的扰动会影响望远镜的分辨率，大气层会阻挡天体发出的很多辐射。

当望远镜被发射到太空中，成为一颗天文卫星后，它就能接收各个波段的信号，进行更全面、精确的天文观测。

   上世纪90年代初，欧洲开始采用技术复杂、价格昂贵的编码孔径技术建造硬X射线成像卫星INTGRAL，而美国硬X射线卫星Swift也于2004年上天，它们正在进行硬X巡天，进入新世纪以来，美国NASA开始实施雄心勃勃的“超越爱因斯坦计划”,它的主要目标之一是用新一代黑洞发现者卫星探测黑洞，了解黑洞附近的空间、时间和物质的行为。

HXMT具有比INTGRAL和Swift更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力，如果能在今后几年中发射上天，我们就可以抓住另一个重要的科学机遇：

赶在“超越爱因斯坦计划”黑洞发现者上天之前，发现更多新的黑洞天体，并深入研究黑洞强引力场中的动力学过程，为实现“超越爱因斯坦”的科学追求做出重大贡献。

美国“超越爱因斯坦计划”新一代黑洞发现者的候选项目EXIST的首席科学家Grindlay教授指出：

HXMT是今后这段时期中研究黑洞动力学过程的独一无二的硬X望远镜；对中国是一个很好的机会用发射硬X射线卫星在一个重大的科学前沿取得领导地位。

   我国是太空大国，但至今还没发射过太空望远镜。

2010—2011年，我国首台太空望远镜“硬X射线调制望远镜”（英文简称:

HXMT）将发射升空，它将是世界上灵敏度和空间分辨本领最高的硬X射线望远镜。

神秘的黑洞、中子星是HXMT观测的重点目标，其观测结果有望对高能天体物理学产生重要影响。

   苏院士说，这个项目已经过十多年的预研，各项关键技术几乎都已解决，应该尽早发射。

“对我国来说，近期发射两颗天文卫星是不算多的。

”苏院士说，“未来十年内，我建议我国再开展一个空间天文观测项目。

”除了太空望远镜，近年来，我国的地面望远镜项目也有很多进展。

去年，我国建成了世界上最大的大视场望远镜“LAMOST”。

今年，全球最大的射电望远镜“FAST”在贵州省开建，它的口径达到500米，将于2014年建成，其科学目标包括“地外文明搜索”。

在南极冰盖最高点冰穹A，我国正在酝酿架设一台15—30米口径的望远镜，它能在光学、红外、亚毫米波等三个波段工作，利用那里得天独厚的环境进行自动观测。

 望远镜背面,深灰色圆筒是一个卫星空间定位用的星敏感器

X射线望远镜介绍

   X射线辐射的波段范围是0.01-10纳米，其中波长较短（能量较高）的称为硬X射线，波长较长的称为软X射线。

天体的X射线是根本无法到达地面的，因此只有在六十年代人造地球卫星上天后，天文学家才获得了重要的观测成果，X射线天文学才发展起来。

早期主要是对太阳的X射线进行观测。

   X射线又称伦琴射线，是德国物理学家伦琴·威廉·康拉德于1895年11月8日发现的。

当时由于人们对这种射线不了解，就给它取了个未知数“X”的名字，后来人们便称它为“X射线”。

它是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。

伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。

这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。

当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。

硬X射线调制空间望远镜（HXMT）简介

   硬X射线调制望远镜HXMT（HardX-rayModulationTelescope，简称HXMT）是目前世界各国已知计划中，灵敏度最高和空间分辨率最好的空间硬X射线望远镜，是一台工作于硬X射线能区（20千电子伏特～200千电子伏特）的大探测面积天文卫星。

它将实现空间硬X射线高分辨巡天，发现大批高能天体和天体高能辐射新现象，并对黑洞，中子星等重要天体进行高灵敏度定向观测，绘出世界上第一幅高精度的硬X射线天图，从而填补这一国际上的观测空白，推进人类对极端条件下高能天体物理动力学、粒子加速和辐射过程的认识。

HXMT核心探测器----高能X射线望远镜部分由18组探测器并联而成,具有极高的精度和分辨率

   硬X射线调制望远镜（HardX-rayModulationTelescope，简称HXMT）是一台空间X射线天文观测设备，它包括高能X射线望远镜（HighEnergyX-rayTelescope,简称HE）、中能X射线望远镜（MediumEnergyX-rayTelescope,简称ME）、低能X射线望远镜（LowEnergyX-rayTelescope,简称LE）三个主要科学载荷。

HXMT将完成宽波段X射线成像巡天，其中在硬X射线波段具有世界最高的灵敏度和空间分辨率，从而可以绘制高精度硬X射线天图，使硬X射线活动星系核（超大质量黑洞）的数量提高数倍并可能发现新的天体类型，革新人类对高能宇宙的认识。

同时，HXMT还是国际上已有计划中唯一能对黑洞等高能天体在硬X射线能区进行高灵敏度（窄视场）、高时间分辨（大面积）定点观测的空间设备，可以获得天体在宽的X射线波段，尤其是硬X射线波段的高质量的辐射时变和能谱信息，推进人类对极端条件下高能天体物理动力学、粒子加速和辐射过程的认识。

HXMT上还可能放置两台偏振X射线望远镜（PolarizationX-rayTelescope,简称PO）。

PO计划由意大利空间局负责设计建造，将实现人类首次对宇宙天体的X射线偏振观测。

HXMT卫星分解结构,下半部分是ZY-2卫星共用平台,上半部分是望远镜有效载荷

   由于用创新性的直接解调成像方法克服了以往硬X成像技术所需的复杂而庞大的硬件结构，HXMT可以低廉的造价实现显著高于国外同波段卫星的综合观测性能。

以欧空局于2002年10月发射的INTEGRAL卫星为例，HXMT的探测几何面积是INTEGRAL的主成像探测器IBIS几何面积的2倍，有效面积为其4倍，灵敏度为其3倍，体积和重量只有INTEGRAL的1/3，造价更是仅为INTEGRAL的1/5-1/6。

   HXMT成像巡天的灵敏度显著高于已有的或其他已经提出的硬X射线巡天项目的灵敏度，且HXMT能够研究天体硬X射线辐射的快速光变，这是国际上另两个主要的硬X射线望远镜INTEGRAL/IBIS和SWIFT/BAT所无法实现的。

和目前已有能在硬X射线波段进行空间观测的卫星相比,我国的HXMT无论灵敏度,分辨率还是工作模式都具有绝对优势,明年底发射后,HXMT将成为有史以来最先进的硬X射线空间观测卫星。

   HXMT建立在我国学者对硬X射线成像技术的原始性创新和成熟可靠的探测器技术基础之上。

从2000年以来，HXMT的预研工作得到国家973项目、中科院知识创新工程重大方向性项目和清华大学985项目的联合支持，现已完成有效载荷系统地面样机研制，成功地进行了气球飞行检验。

我国已发展成熟的“资源二号”卫星平台的主要性能完全满足HXMT卫星的要求，不存在需要攻克的关键技术问题。

HXMT地面物理样机

HXMT研制过程

   自上世纪初现代物理的基础—相对论和粒子物理出现至七十年代，随着各种高能粒子加速器的建成，新的物理发现和新的理论出现了一个高峰，但由于粒子加速器的能量难以大幅度提高，再没有出现新的为理论所不能解释的现象，物理基本理论的发展似乎又进入一个徘徊时期。

   天体中存在着人工难以实现的极端物理环境，可以推动物理发展的新现象很有可能出现在这种环境中，而天体的高能辐射正是携带了这种极端环境中物理过程的直接信息。

七十年代以来，世界各国把大量财力人力投入空间高能天体物理的研究，三十年来，这一学科的研究取得了大量成果。

已有5届诺贝尔物理学奖授予天体物理的实验观测工作。

2002年的诺贝尔物理奖授予了三位高能天体物理学家，其中主要的依据之一是他们开辟了了解宇宙的新窗口并发展了研究基本物理过程的新手段。

   由于成像技术方面的困难，在高能天体物理的整个观测能量范围（从百电子伏至1012电子伏）中，处于20千电子伏至300千电子伏（20keV～300keV）的硬X射线巡天观测基本属于空白。

天体物理学家注意到，这个能区的高灵敏度巡天观测恰恰是了解天体高能物理过程的关键手段。

相关的研究被美国国家科学委员会列为优先级最高的空间天文项目。

   从上世纪至今，国际上已发射的天文卫星有100多颗，覆盖的能量范围从微波直到超高能γ射线（约500MeV），取得了大量的观测研究成果。

遗憾的是，这100多颗卫星没有一颗是中国发射的。

在这个领域的空间观测研究中，中国在世界上几乎没有影响。

   已有的硬X射线卫星项目主要为监测天空强爆发源或者对小天区进行成像观测而设计，由于成像的困难，上述100多颗卫星没有一个能够对全天空进行高灵敏度的硬X射线巡天观测。

上世纪九十年代初，美国国家科学研究委员会曾将一个高灵敏度的硬X射线巡天观测列为优先级最高的美国中等空间天文项目，但由于技术困难，迄今尚未实现。

硬X射线是人类尚未实现成像巡天的最后一个重要波段，影响了人类对许多已知天体整体性质的了解和对未知天体的证认。

   在传统的观测模式下，要实现对硬X射线辐射进行成像观测非常困难，往往需要采用复杂的硬件结构，体积庞大，本底噪音屏蔽困难，而且造价极其高昂，严重限制了探测器面积的增大和探测灵敏度的提高，从而影响观测数据的信噪比和观测质量。

 　从上世纪70年代末，中国科学院高能物理研究所就开展了以高空科学气球为运载工具的空间硬X射线观测。

上世纪九十年代初，中国科学院高能物理研究所的李惕碚和吴枚建立了直接解调成像方法，即通过选择适当的调制方式，在提高仪器灵敏度的同时改善结果的分辨能力，用简单廉价的非成像探测器实现高分辨成像，从而找到了可以克服硬X射线成像主要困难的手段。

科研人员已经成功地运用该方法，在对国际上几颗卫星的观测数据重新分析后获得了复杂天区的高分辨成像结果。

例如：

1999年,高能所卢方军博士用直接解调方法分析德国X射线卫星Rosat数据,发现了超新星遗迹SNRG54.1+0.3的X射线喷流。

   1993年，中国科学院高能物理研究所研制了球载硬X射线探测器（左图为实验气球，右下图为球载硬X射线探测器HAPI-4的吊篮），在离地38公里的高空成功地对天鹅座X-1进行了扫描成像，证明了直接解调成像技术的可行及成像能力。

但由于受到气球飞行时间的限制，无法对天体进行长时间的观测。

同时，还受到气球飞行高度的限制（约40公里），不能观测天顶角低于50度的天体。

而卫星的高度在500-600公里，在轨运行时间可长达2年以上，可对全天球进行观测，实现全天巡天扫描。

硬X射线调制望远镜（HardX-rayModulationTelescope）（HXMT）正是基于对象重建的直接解调方法设计的具有高灵敏度和高分辨本领的空间硬X射线观测仪器。

它具有探测面积大、重量轻、价格极其便宜的突出特点，其灵敏度和精度远高于国外现有的仪器。

这些优势将使中国填补硬X射线巡天扫描这一重要的观测空白有了可能。

   近十年来，国内卫星和航天技术也有了高速的发展，从过去只有1、2个平台可供用户选择发展到目前的5个平台，而且主要性能和功能都有了很大的提高，基本满足HXMT的需求，为HXMT卫星提供了成熟的技术支持，用较少的经费和较短的时间实现升空。

   HXMT成像巡天的灵敏度比已有的或其他已经提出的硬X射线巡天项目的灵敏度高10倍以上。

目前世界上面积最大、灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜是欧空局于2002年10月份发射的INTEGRAL（左图）和将于2003年底升空的Swift（右图）。

HXMT的几何面积是INTEGRAL的2倍，有效面积为其4倍，灵敏度为其2倍，体积和重量只有INTEGRAL的1/3，造价更是仅为INTEGRAL的1/5～1/6。

   HXMT工程准样机的研制工作从2000年开始，计划于2005年完成。

目标是为HXMT卫星的研制奠定技术基础，争取列入国家民用航天型号研制计划，开展HXMT卫星初样和正样研制，最终实现升空观测。

   显然，HXMT的性能远好于国际上最重要的硬X射线卫星探测器的性能，这使得HXMT能够发现比现在多几十倍的硬X射线辐射天体。

因此，可以毫不夸张地说，在硬X射线天文成像观测领域，无论数学处理方法和硬件设计制造，中国都将处于世界领先地位。

   HXMT空间望远镜项目日益引起国际空间科学界的重视。

1994年9月，在意大利卡普里召开的、有天文和空间科学技术方面近百名专家，包括已发射和计划中的各高能天文卫星的主要负责人参加的高能天文成像国际会议上，HXMT提案建议人之一的李惕碚在会上作了题为“直接解调方法与硬X射线成像”的邀请报告（左图），介绍了直接解调的原理、应用于空间数据分析和气球观测所取得的成果以及HXMT方案，引起了强烈反响。

J.Paul教授在会议总结报告中高度评价了直接解调方法，并建议推广应用。

美、英、法、意、丹麦等国科学家表示了与中国在空间X射线和γ射线成像望远镜的设计及数据分析工作中进行合作的愿望。

   从1995年至2000年的五年间，国际上共发射了7颗空间天文卫星。

尽管这些卫星要么观测波段不在硬X射线范围，要么不具备巡天观测能力，但对中国来说，还是增加了尽快实现HXMT升空观测的紧迫感。

祝愿HXMT空间望远镜能早日列入国家发射计划（右图为HXMT效果图），让中国科学家描绘出人类历史上第一幅较为详细的高灵敏度、高分辨率和高定位精度的硬X射线巡天图。

   预期HXMT可发现几百至上千个硬X射线天体（截至目前，国际上只发现七十几个），大大推进人类对天体硬X射线辐射及其相关物理过程的了解，构成天文学发展史上的一个里程碑，使中国在此领域一举达到世界领先的地位。

HXMT卫星基本数据

探测器单元

主探测器        NaI（Tl）/CsI（Na）Phoswich

总探测范围      5000cm2

探测能级范围    20～250keV（可降至~1keV）

分辨率          19%（@60keV）

连续灵敏度      3.0×10-7phcm-2s-1keV-1,or0.5mCrab（3σ@100keV,105s）

视场            5.7°x5.7°（FWHM）

源定位精度      ≤1）arcmin（20

角分辨率        ≤5）arcmin（20

附加设备        IEXD（7-30keV,SiPIN,1000cm2）,

                SXD（（1-15keV,SCD,300cm2）

卫星结构单元

重量            2500公斤（有效载荷1100公斤）

尺寸            2.0米×2.0米×2.8米  （L×W×H）

设计寿命        3年

轨道            高度 550千米，倾角43°  

姿态            三轴稳

控制精度        ±0.25°

这个是高能X射线探测器实物，及单一高能X射线探测器结构。

太空望远镜介绍

▲康普顿伽马射线太空望远镜

　　重15.4吨、长9.45米，造价6.7亿美元，是迄今进入太空最重的卫星之一。

1991年4月5日，它随“阿特兰蒂斯号”航天飞机升空。

在9年的太空旅行中，康普顿为人类探索宇宙写下了一本厚厚的功劳簿。

2000年5月30日，这只人类在外层空间最犀利的“眼睛”开始回家的路程，并于6月4日在人工控制下坠入太平洋。

▲哈勃空间望远镜

　　（HubbleSpaceTelescope，缩写为HST），是以天文学家哈勃为名，在轨道上环绕著地球的望远镜。

他的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。

于1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。

他已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多的认识。

哈勃的哈勃超深空视场是天文学家曾获得的最深入（最敏锐的）的光学影像。

▲斯皮策太空望远镜

　　于2003年8月25日发射升空，是人类史上最大的红外线波段太空望远镜，取代了原来的IRAS望远镜，斯皮策前身名为SIRTF（SpaceInfraredTelescopeFacility）。

　　它的观测波段为3微米到180微米波长，由于地球大气层会吸收部份的红外线，而且地球本身也会因黑体辐射而发出红外线，所以在地球表面无法获得红外波段的天文资料。

　　它的总长度约4米，总重量约865公斤，它有1个0.85米的主镜及3个极低温的观测仪器，为了避免望远镜本身因黑体辐射而发出红外线干扰观测结果，所以观测仪器温度必须降低到接近绝对零度，除此之外为了避免太阳热能及地球本身发出的红外线干扰，望远镜本身还包含了1个保护罩，而且望远镜在太空的位置刻意安排在地球绕太阳的公转轨道上，在地球后面远远的跟著地球移动。

▲钱德拉X射线太空望远镜

　　美国哥伦比亚号航天飞机1999年7月23日升空，把钱德拉X射线太空望远镜（ChandraX-rayObservatory）送到了太空。

这一空间天文望远镜将帮助天文学家搜寻宇宙中的黑洞和暗物质，从而更深入地了解宇宙的起源和演化过程。

　　钱德拉太空望远镜原称高级X射线天体物理学设施（AXAF），后改以印裔美籍天体物理学家钱德拉锡卡（Chandrasekhar）的名字来为其命名。

钱德拉锡卡30年代移居美国，1983年因对恒星结构与演化的研究成果而获诺贝尔奖，1995年去世。

“钱德拉”是朋友和同事对他的称呼，梵语有“月亮”和“照耀”的意思。

　　钱德拉望远镜是美国航宇局NASA“大天文台”系列空间天文观测卫星中的第三颗。

该系列共由4颗卫星组成，其中康普顿（Compton）伽马射线观测台和哈勃太空望远镜（HST）已分别在1990和1991年发射升空，另一颗卫星称为太空红外望远镜设施（SIRTF），也就是斯皮策太空望远镜，于2003年发射成功。

▲大型空间太空望远镜NGST

　　用来替代哈勃望远镜的下一代太空望远镜（NGST）的开发和部署是美国航空与航天局（NASA）为推进宇宙探索的一个挑战性项目。

NGST上装配一个包括0.6～5μm多目标分光计的照相机/分光计系统。

为从太空的不同区域有选择地将光线引导至分光计，采用可独立寻址的微电子机械反射镜阵列作为分光计的狭缝掩模。

Goddard太空飞行中心的NASA小组设计了一套能够满足系统要求的集成微反射镜阵列（MMA/CMOS）驱动器芯片。

样机的芯片构造和检测结果均符合预期要求。

欲构建完全基于MEMS的狭缝掩模，设计要求4片大规模集成芯片以2×2镶嵌方式精确排列（至少为9cm×9cm）。

另外，必须在低于40K温度条件下掩模才能发挥作用。

上述要求对集成MEMS芯片的封装提出了严峻的挑战。

▲詹姆斯·韦伯太空望远镜

　　（JamesWebbSpaceTelescope，缩写JWST）是计划中的红外线观测用太空望远镜。

作为将于2010年结束观测活动的哈勃太空望远镜的后续机，计划于2011年发射升空。

但因哈勃太空望远镜的修补等延命措施的效果，故发射改期为2013年。

系欧洲空间局（ESA）和美国宇航局（NASA）的共同运用计划，放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。

不像哈勃空间望远镜那样是围绕地球上空旋转，而是飘荡在从地球到太阳的背面的150万千米的空间。

和哈勃望远镜的个头相比，韦伯望远镜绝对是个庞然大物。

其主镜的直径达到了6.4米，镜面的面积相当于哈勃望远镜的七倍之多。

面积扩张的好处显而易见，它对光波的敏感度更强，这是了解星系形成的关键因素。

没有够大的清晰度，你所观察的星系看起来就会模模糊糊的。

比如，只有详细观察星系的臂膀，我们才能了解一些星系是如何演化的。

”事实上，清晰度越高，太空望远镜就更加能看到宇宙的过去，因为那里的光线要传播百万甚至数十亿年才能到达地球。