“慧眼”衛星（Insight），全稱：硬X射線調製望遠鏡衛星（Hard X-ray Modulation Telescope，縮寫HXMT），是中國研製首顆X射線天文衛星。
“慧眼”衛星套用中國科學家首創的直接解調成像方法，實現寬波段、高靈敏度、高空間解析度X射線巡天、定點和小天區觀測，在世界現有X射線天文衛星中，具有先進的暗弱變源巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力等優勢。
2017年6月15日11時整，中國在酒泉衛星發射中心採用長征四號乙運載火箭，成功發射首顆X射線空間天文衛星“慧眼”。2018年1月30日，中國首顆X射線天文衛星“慧眼”正式交付，投入使用。“慧眼”衛星工程是研究黑洞、中子星等緻密天體前沿問題的自主創新重大空間科學項目，由國防科工局、財政部批覆立項研製，國家民用航天和中科院空間科學戰略性先導專項共同支持。
基本介紹
研製歷程,歷史背景,研製進程,研製團隊,系統組成,衛星平台,運載火箭,地面系統,任務計畫,工程目標,任務載荷,飛行動態,發射入軌,運行觀測,後續研究,技術創新,優勢性能,探測成果,所獲榮譽,總體評價,
研製歷程
歷史背景
人類歷史上，中國人曾經首次記錄了極端宇宙現象的光芒——1054年，北宋人首次記錄了超新星爆發。
哈勃望遠鏡 (圖片來源：NASA)
空間天文望遠鏡實際是人類探索宇宙的一個視窗。在開創這個領域之後，人類發射了各種各樣的天文衛星，其中也包括哈勃天文衛星。中國作為航天大國，希望運用自己的力量在航天領域助力科學，進入空間開展基礎研究，“慧眼”硬X射線調製望遠鏡（HXMT）衛星應運而生，成為中國人探索宇宙的突破口。在宇宙中，當物質被緻密天體的引力俘獲後，會以螺旋運動掉向中心天體，速度越來越快，溫度越來越高，最後會發出強烈的、比一般X射線能量高的硬X射線。 雖然X射線穿透能力比較強，但也不能穿透地球大氣，所以人類必須要到地球大氣層以外才有可能探測到來自天體的X射線。
HXMT衛星目的就是接收來自天體的X射線，這種天體可以是中子星，也可以是黑洞。科學家希望尋找尚未被發現的黑洞和中子星，同時，對已經知道的也進行觀測和研究，從而拓展對於黑洞和中子星的知識。
1970年，美國發射了第一顆Ｘ射線天文衛星，實現了Ｘ射線的巡天，打開了人類觀測宇宙的新視窗。
空間X射線和伽馬天文是國際競爭激烈的前沿領域。美國、歐洲、日本、印度等國家和地區的近10台先進的X射線和伽馬射線空間觀測設備正在運行，不斷取得重大天文發現。和已開發國家相比，中國的空間科學仍然處於起步階段。
研製進程
1993年，李惕碚在中國科學院高能物理研究所做X射線觀測時，提出了一種新的成像技術——直接解調方法。隨後研製的新式硬X射線探測器，搭載高空氣球上天觀測了黑洞，得出了比美國同行好得多的結果。李惕碚院士隨即提出“硬X射線調製望遠鏡”（HXMT）的構想。
2005年，HXMT作為中國第一顆天文衛星納入“十一五”科學規劃。經過多次論證會議， 最終HXMT得到專家們的普遍認可和支持，中科院2006年7月再次優先推薦HXMT為“十一五”自主空間科學項目。
2007年3月，中國發布《“十一五”空間科學發展規劃》，提出“自主研製硬X射線調製望遠鏡，計畫2010年發射上天，實現中國空間天文衛星零的突破，在黑洞物理研究等領域取得突破”。世界各大通訊社以及《科學》等媒體馬上進行報導。同年10月，國務院批准《航天發展“十一五”規劃》，要求“優先支持面向重大科學問題的自主創新項目，研製硬X射線望遠鏡”。
2008年4月，原國防科工委委託中國國際工程諮詢公司（簡稱中咨公司）完成了HXMT衛星立項可行性評估，核定衛星工程總經費約人民幣10億元。然而，因為歷史的種種原因，項目經費一直延遲，發射進程緩慢。
2011年3月，中國硬Ｘ射線調製望遠鏡衛星工程立項，第一台太空望遠鏡“慧眼”衛星（HXMT）正式進入工程研製階段。
探索宇宙
研製團隊
“慧眼”衛星研製首席科學家是中國科學院高能物理研究所張雙南。
系統組成
衛星平台
“慧眼”衛星設計壽命4年，衛星呈立方體構型，總質量約為2500千克，裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器等4個探測有效載荷，可觀測1～250keV能量範圍的X射線和200keV～3MeV能量範圍的伽瑪射線。衛星採用直接解調成像方法，通過掃描觀測可以完成寬波段、高靈敏度、高解析度的空間X射線成像，具有複雜的熱控保障、對地測控與數傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力。
運載火箭
長征四號乙運載火箭承擔“慧眼”衛星發射任務。
長征四號乙火箭是上海航天技術研究院研製的三級液體運載火箭，於1999年5月首飛，成功將中國和巴西合作研製的地球資源勘察衛星發射入軌。長征四號丙火箭採用兩次啟動工作方式，運載能力更大，於2006年4月首飛並投入使用。長四乙系列運載火箭主要用於發射太陽同步軌道載荷，同時也具備其它軌道的單星和多星發射能力。
中文名稱 | 長征四號乙 | 火箭代號 | CZ-4B |
|---|---|---|---|
子級數量 | 3 | 全箭全長 | 45.6米 |
最大直徑 | 一二級3.35米，三級2.9米 | 推進劑 | 偏二甲肼、四氧化二氮 |
起飛質量 | 250噸 | 起飛推力 | 2961.6千牛 |
運載能力 | 700千米太陽同步軌道1900千克 | 首次發射 | 1999年5月10日 |
長征四號乙運載火箭發射
地面系統
“慧眼”衛星地面套用系統，是實現“慧眼”衛星科學目標的重要保證，是聯繫科學研究與衛星的紐帶，是衛星在軌運行的有力保障。“慧眼”衛星地面套用系統負責有效載荷觀測目標的規劃和衛星在軌運行的管理，負責科學數據的處理和數據產品的生成，以及負責面向用戶的數據產品發布和技術支持，是實現“慧眼”衛星科學目標的最終保障。
根據任務需要，“慧眼”衛星地面套用系統劃分為科學套用和任務支持兩部分，其中，科學套用部分包括：科學運行分系統、高級數據產品生成與標定分系統、科學研究支撐分系統和科學用戶分系統；任務支持部分包括：任務運行分系統、地面接收分系統、數據預處理與快視分系統和數據歸檔管理與發布分系統。
“慧眼”衛星
任務計畫
工程目標
“慧眼”衛星主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描模式。衛星發射入軌後，開展四個方面的空間探測活動：一是將對銀道面進行巡天觀測，發現新的高能變源和已知高能天體的新活動；二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質，加深對緻密天體和黑洞強引力場中動力學和高能輻射過程的認識；三是在硬X射線/軟伽瑪射線能區獲得伽馬射線暴及其它爆發現象的能譜和時變觀測數據，研究宇宙深處大質量恆星死亡以及中子星併合等導致的黑洞的形成過程；四是探索利用X射線脈衝星進行太空飛行器自主導航的技術和原理並開展在軌實驗。
“慧眼”衛星的主要科學目標包括：搜尋銀盤面上的新的暫現源，監測已知的變源；觀測X射線雙星以研究強引力場或強磁場中的運動和輻射機制；監測研究伽馬射線暴和引力波電磁對應體。
任務載荷
“慧眼”衛星承載高能X射線望遠鏡、中能X射線望遠鏡和低能X射線望遠鏡三種科學載荷和空間環境監測器，觀測能區為1-250 keV。與國外的X射線衛星相比，“慧眼”衛星具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積最大、時間解析度高、探測死時間很小、觀測強源沒有光子堆積效應等突出優點，打開了觀測黑洞、中子星硬X射線快速光變和能譜研究的新視窗。
- 高能X射線望遠鏡（HE）
HE主要包括18套探測單元。每個探測單元由一個NaI（Tl）/CsI（Na）複合晶體探測器和一個準直器構成。除主探測器外，HE望遠鏡還包含在軌標定探頭和在軌標定轉接盒、反符合禁止探測器、粒子監測器（PM）以及相應的機械結構。
- 中能X射線望遠鏡（ME）
ME包括三個探測器機箱（MED1，MED2，MED3）和一個電控箱（MEB）。它們安裝在HE的一側，探測器機箱的長邊方向每每相差60°。電控箱位於衛星載荷艙內。ME探測器為Si-PIN陣列，分成9個可獨立工作的探測單元，每3個探測單元組成1個探測器機箱。探測器上方安裝準直器。每個探測單元包括6個探測模組，每個探測模組包括32路Si-PIN探測器。
- 低能X射線望遠鏡（LE）
LE包括3個可獨立工作的探測器組件，並由一個電控箱控制。每個組件包括8個探測器模組，每個探測模組包含4片CCD236，一個組件的探測面積為128 cm2，總面積為384 cm2。
- 空間環境監測器（SEM）
SEM的任務目標是提供在軌空間帶電粒子環境信息，為“慧眼”衛星在軌運行本底的估計提供監測數據，同時為保障主載荷和衛星在軌運行安全提供數據。SEM的探測對象為高能質子和高能電子，可以獲得任意時刻質子能譜、電子能譜、質子方向分布和電子的方向分布等信息。
飛行動態
發射入軌
2017年6月15日11時整，中國在酒泉衛星發射中心採用長征四號乙運載火箭，成功發射首顆X射線空間天文衛星“慧眼”。該衛星工程是國防科工局牽頭組織實施的重大空間科學任務，將顯著提升中國大型科學衛星研製水平，填補中國空間X射線探測衛星的空白，實現中國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。
“慧眼”衛星發射升空
運行觀測
“慧眼”衛星發射升空後，在軌運行期間完成衛星平台、有效載荷、地面套用系統等測試任務。測試結果表明，衛星各項功能、性能符合工程研製總要求，具備投入使用條件。
在軌測試期間，“慧眼”衛星開展了多個天區的掃描成像觀測和對特定天體的定點觀測，開展了伽馬射線暴監測等套用測試，驗證了衛星的各項功能和性能，取得了銀道面掃描監測、黑洞及中子星雙星觀測、伽馬射線暴、引力波電磁對應體探測、太陽耀發、特殊空間環境事件等初步科學成果。
2018年1月30日，中國首顆X射線天文衛星“慧眼”正式交付，投入使用。專家表示，與中國國外的X射線衛星相比“慧眼”衛星具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積最大、時間解析度高、觀測強源沒有光子堆積效應等突出優點，打開了觀測黑洞、中子星硬X射線快速光變和能譜研究的新視窗。
後續研究
“慧眼”衛星的“繼任者”——中國領導的大型國際合作空間項目“增強型X射線時變與偏振空間天文台”已進入方案設計階段。研製成功後，它將成為2027年後國際領先的旗艦級空間X射線天文台，其綜合性能相比國際同類衛星有一個數量級以上的提升，將把中國的空間高能天文研究帶入更高水平，將在探索極端宇宙中有更多更重要的科學發現。
技術創新
優勢性能
“慧眼”衛星具有如下優勢：
1、能區寬全覆蓋
在“慧眼”衛星上研製方增加探測器：在高能X射線望遠鏡之外，又增加了低能、中能X射線探測器，同時具有高、中、低能望遠鏡，“慧眼”衛星實際上是一個太空天文台。它首次實現了1—250keV的能區全覆蓋，能譜範圍達250倍，而一般光學望遠鏡的能譜範圍不到2倍。這樣它就可以在很寬的X射線波段內做精細研究，完成以前需要多顆衛星同時觀測的任務。
2、面積大信號多
鏡面望遠鏡由於受到製造工藝的限制，一般面積比較小。而“慧眼”衛星的探測面積很大，探測到的信號就會更多。信號越多，就越有可能發現其他望遠鏡看不到的現象。
3、視場大巡天快
“慧眼”衛星還具有視場大的優勢，可以在兩天左右時間內完成銀道面的掃描。而鏡面望遠鏡由於視場很小，掃描一片天區需要花費很長的時間，所以一般只做定點觀測。
4、看多亮的源也不會晃瞎眼
在觀測X射線低能段時，往往會遇到光子堆積的問題。這是因為X射線有一個特性：能量越低，光子數量越多。這樣，探測器就無法把這多個光子區分開，也就測不清楚了。“慧眼”衛星的一大優勢就是，其低能望遠鏡在觀測強源時，沒有光子堆積效應，觀測清晰度提高。
5、“死時間”短效率更高
在探測X射線高能段時，常常會遇到另外一個問題：“死時間”。它的意思是：當高能探測器正忙於處理前一個入射光子時，恰好又有一個光子打到探測器上。但探測器對第二個光子無暇回響，就好像死了一樣。探測器對光子不做回響的這段時間，就是“死時間”。“慧眼”衛星進行了特殊設計，來縮短‘死時間’，得到的信號也更多更準確。有助於最終搞清楚X射線天體的輻射機制。
6、“變廢為寶”觀測伽馬暴
“慧眼”衛星的新功能——觀測伽馬暴，實際上使用的是高能望遠鏡主探測器中原本用於禁止本底X射線光子的碘化銫晶體。對探測器工作高壓做適當調整，就完全可以用其來研究伽馬暴。HXMT在觀測伽馬暴時都不需要正對著目標源，而且觀測能譜隨時間的變化非常好。“慧眼”衛星高能探測器來觀測伽馬暴，其面積是世界上最大的，靈敏度也是最好的，可以看到比較弱的伽馬暴。
面對怪異天體的“大象”，德國圖賓根大學天文與天體物理研究所科學家安德烈·聖安傑洛說，有了“慧眼”衛星，科學家將不再是盲人摸象，而是能從頭到尾摸到它的全身。
探測成果
2017年8月，慧眼HXMT望遠鏡在GW170817引力波事件發生時成功監測了引力波源所在的天區，對其伽馬射線電磁對應體在高能區的輻射性質給出了嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機製做出了重要貢獻。
2017年10月16日，雙中子星併合產生引力波（GW170817）聯合觀測成果全球發布，在該歷史性事件的全球聯測中，“慧眼”衛星對其高能電磁輻射對應體進行了監測，確定了伽馬射線的流量上限。
2019年10月，中國科學家利用“慧眼”衛星進行系列觀測，將對黑洞系統準周期振盪現象研究的能量上限從30keV（千電子伏特）提高到100keV，開啟了研究黑洞系統的新視窗。
2020年，“慧眼”衛星在編號為GRO J1008—57的中子星中探測到了90千電子伏的迴旋吸收線，對應10億特斯拉的中子星表面磁場，是當時宇宙磁場直接測量的世界紀錄。隨後，“慧眼”團隊還在另外一個中子星的能譜上探測到了約100千電子伏的迴旋吸收線。“慧眼”衛星連續3次刷新迴旋吸收線能量測量的最高紀錄，表現出在探測天體高能X射線能譜方面具有國際領先的獨特能力。
2021年7月20日訊息，“慧眼”首次清晰觀測到了黑洞雙星爆發過程的全景，揭示了黑洞雙星爆發標準圖像的產生機制；完整探測到了第24太陽活動周最大耀斑的高能輻射過程，獲得了耀斑過程中非熱電子的譜指數演化，為理解太陽高能輻射隨時間演化提供了新的觀測結果。
2022年7月，“慧眼”衛星團隊在編號為Swift J0243.6+6124的中子星X射線雙星發現了能量高達146千電子伏的迴旋吸收線，對應超過16億特斯拉的中子星表面磁場，繼2020年直接測量到約10億特斯拉的宇宙最強磁場之後，再次大幅度刷新了最高能量迴旋吸收線和宇宙最強磁場直接測量的世界紀錄。該項研究主要由中國科學院高能物理研究所與德國圖賓根大學合作完成，在《天體物理雜誌通訊》（Astrophysical Journal Letters）線上發表。
2022年7月5日，中國科學院發布訊息，“慧眼”衛星團隊最近在編號為Swift J0243.6+6124的中子星X射線雙星發現了能量高達146千電子伏的迴旋吸收線，其對應超過16億特斯拉的中子星表面磁場，這是繼2020年直接測量到約10億特斯拉的宇宙最強磁場之後，“慧眼”衛星再次大幅度刷新最高能量迴旋吸收線和宇宙最強磁場直接測量的世界紀錄。
台北時間2023年3月29日凌晨2點，中國科學院高能物理研究所在北京與全球40餘家科研機構聯合發布了對迄今最亮伽馬射線暴GRB 221009A的研究成果。中國的“慧眼”衛星與“極目”空間望遠鏡聯合，精確探測到了這個千年一遇的伽馬射線暴，並取得重要科研成果。
2023年9月1日，Science（《科學》）以長文（Article）形式發表了主要基於“慧眼”衛星觀測結果的黑洞吸積磁場的最新研究成果。該項研究利用中國首顆空間X射線天文衛星慧眼號的觀測數據，聯合地面射電和光學望遠鏡觀測，發現了黑洞周圍磁囚禁吸積盤形成過程的直接觀測證據。
所獲榮譽
“慧眼”衛星觀測成果入選了中國2020年十大天文科技進展
“慧眼”衛星關於FRB 200428的相關研究成果，被英國《自然》雜誌評為2020年十大科學發現之一，也被美國《科學》雜誌列入2020年十大科學突破。
總體評價
“慧眼”衛星的高能探測器和低能探測器的能量分辨達到同類儀器國際最好水平，成為在0.2-3MeV能區國際上有效面積最大的伽馬射線暴探測器。（中國科學院 評）
“慧眼”衛星工程是國防科工局牽頭組織實施的重大空間科學任務，將顯著提升中國大型科學衛星研製水平，填補中國空間X射線探測衛星的空白，實現中國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。（中國政府網 評）
“慧眼”衛星套用中國科學家首創的直接解調成像方法，實現寬波段、高靈敏度、高空間解析度X射線巡天、定點和小天區觀測，在世界現有X射線天文衛星中，具有先進的暗弱變源巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力等優勢。衛星研製過程中，攻克了諸多設計難題，取得了X射線探測載荷一體化設計與實施、慣性空間任意姿態下對地測控與數傳鏈路保障技術等多項技術突破，有力促進了新型元器件、特殊材料製備、載荷結構高精度加工等的發展。（中國政府網 評）
“慧眼”衛星
