從20世紀70年代開始，在將近40年的時間中，中國科學家一直致力於X射線天文的觀測。科學家們用X射線望遠鏡觀察宇宙，探索著各類極端天體。那麼，宇宙中的黑洞和中子星是怎樣被探索的呢？這些年來，中國的科學家又做出了怎樣的努力？

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院高能物理研究所盧方軍演講實錄：

2007年的時候，有一首非常著名的詩叫《仰望星空》。他在這首詩中說：「我仰望星空，它是那樣自由而寧靜；那博大的胸懷，讓我的心靈棲息、依偎。」這是我們看到宇宙的感覺，我們覺得宇宙肯定是非常寧靜的，是一個能夠讓我們的心靈休息的地方。

可是如果用一個X射線望遠鏡去看宇宙，我們看到的可能是完全不同的一幅圖像，我們會看到一個劇烈變化的天空。

這些有著強烈X射線輻射的天體，它們的物理性質也非常極端。這就是我今天想講的，具有極端性質的天體，其中主要想給大家講講我們是怎麼探索黑洞和中子星的，或者說中國的科學家在這裡面做了一些什麼樣的努力。

黑洞和中子星

什麼是黑洞呢？我相信在座的各位老師和同學應當比我還要清楚，所謂黑洞就是什麼東西都出不來。人造地球衛星發射上天后之所以不掉下來是因為它的動能大於地球產生的引力勢能。

同樣，如果一個星體它產生的引力場足夠強，以至於物體以光速運動的時候都不能逃離它的引力場，這時我們就看不到來自這個天體的任何輻射，這個天體就會成為一個黑洞。

打一個形象的比喻，如果把太陽壓縮成一個3千米半徑的星體，它就會變成一個黑洞，我們會看不到來自太陽的任何輻射。所以黑洞給我們提供了一個極端的引力場環境，讓我們做科學研究。

什麼是中子星？這是一種大質量的恆星，其質量比太陽要大8到30倍，它的壽命可能在幾十億年，在它生命的晚期，會發生超新星爆發，在爆發的過程中會有一個強大的往裡邊的衝擊力，使它的核心部分塌縮，形成一個非常緻密的天體。這樣一個緻密的天體就是我們講的中子星。

中子星非常緻密，一立方厘米的重量大概在幾億噸。如果說把地球壓縮成一個中子星密度的星體的話，它的直徑只有10米，你可以想像它的緻密程度。

中子星還有一個特點是它有非常強的磁場。地球表面的磁場大概是0.5高斯，中子星的典型磁場在10的12次方高斯。也就是說，中子星的典型磁場是地球磁場的2萬億倍，我們現在在地面上能夠實現的最強的磁場大概只有它的萬分之一。

所以這樣一個極端的引力場或者極端的磁場環境，為我們提供了一個實驗室，去研究一些我們在地面上沒法研究的基礎物理規律。

為什麼要探索極端天體

前面講過黑洞的引力足夠強，以至於光線都不能夠逃離它的引力場。那麼黑洞一定對周圍的時間和空間的結構，或者我們經常講的坐標系有非常強的影響。在這樣一個扭曲的時間和空間裡面，物質怎麼運動？怎麼被加速？加速以後又如何輻射？

愛因斯坦創立的廣義相對論在現在所有的檢驗裡面都證明了它是正確的，但是我們所有的檢驗都是在弱引力場中做的。在強引力場中，特別是量子力學都是在一個非常高能量的環境裡面檢驗的，這時廣義相對論還成不成立？我們能不能夠尋求對現在的物理框架的一個突破？

對中子星來說，它的高密度、強磁場，對科學研究也非常重要。在這樣高密度的情況下，物質是處於什麼樣的狀態呢？我們知道如果說物質是一個氣體，它是可以壓縮的；如果是一個液體，它壓縮起來就非常困難；如果說是一個固體，基本上就不能夠壓縮。那麼在這樣高密度的情況下，我們給了它一個壓力以後，它的體積會怎麼變化？這和一些物理過程緊密相關。

它的磁場很強，我們現在通過測量大概估計它可能是地球磁場的2萬億倍。到底有多強？到底能夠多強？最強會有多強？在這麼強的磁場裡面會有什麼物理規律讓我們可以檢驗呢？

舉一個例子，現在比較前沿的研究認為真空會發生漲落，就是真空並不是真的真空，它可能裡面會產生一些虛粒子對，比如正負電子對，它很快就會湮滅（形成虛光子），所以我們看不到來自真空的任何輻射（信息）。

可是如果有強的磁場存在，有了電荷，所以離子要順著磁力線運動，而正電荷、負電荷又會使得這個運動的方向不一樣，那正電子和負電子就沒有機會再碰撞一起。在這種情況下，就為我們提供了研究真空漲落的可能性。這就是我們探索這些極端天體所具有的非常重要的科學含義。

X射線觀測

黑洞和中子星系統都是強烈的X射線輻射天體，X射線觀測是了解它們的屬性，研究其中的物理規律的最為有效的探針。

我們在地面上雖然也可以看到星星的光學輻射，因為我們的眼睛也是對光敏感的一個探測器。但是要研究天體的X射線輻射，我們必須要超越稠密的大氣層，到大氣層的頂部或者是到太空裡邊沒有大氣吸收的情況下，去研究來自天體的X射線輻射，從而進一步去了解這裡面所隱含的物理規律。

「慧眼」衛星

中國從20世紀70年代開始進行X射線天文的觀測，到現在差不多有40年的時間了。早期的觀測條件很差，是用一個高空氣球把一個探測器運到大概40千米的高空進行相關天文研究。這個氣球的體積在60萬～100萬立方米，它可以把兩噸重的載荷運到40千米的高空。同時我們也在用一些國外的衛星數據進行相關的科學研究。

在這樣長期的氣球飛行試驗中，我們積累了很多經驗、數據和物理思想。1993年，我到高能所讀博士，我的導師當時提出了要建造一顆X射線天文衛星的想法，我們就開始做這個衛星項目的預研、論證。一直用了18年，2011年國家才開始批覆立項。

批覆立項以後，我們就開始建設。2017年，衛星發射上天以後，被命名為「慧眼」衛星。2018年的新年致辭裡面也把「慧眼」衛星發射上天、成功運行作為2017年中國標誌性的科技創新事件。

這是「慧眼」衛星和有效載荷的一個簡單的介紹。這顆衛星重2.5噸，運行在離地面550千米的高空。它會經過北京的上空，因為它的傾角是43度。它的設計壽命是4年，上面有高能、中能、低能等各種探測器。

這是我們衛星工程節點的介紹。從2011年3月國家正式批覆立項，到年底，我們從方案階段轉入初樣階段，開始做硬體的研製了。本來國家給我們4年時間把它完成，具備發射條件，結果我們用了6年時間，延長了2年，這2年的過程當然是非常艱難的。大家從我的頭髮也能夠看得出來，這幾年我的頭髮都變白了。

2017年4月，衛星具備發射狀態以後，我們就成立了發射試驗隊，我從我們所長手上接過了試驗隊的這面旗幟，我是試驗隊的隊長兼黨支部書記。

4月20日，我們首批隊員拿著旗子就到達了酒泉衛星發射基地，4月22日，我隨第二批隊員一起到達了東風航天城。東風航天城是我國發射衛星一個非常重要的地方，神州系列飛船都是在東風航天城這裡發射的，這裡也被稱為酒泉衛星發射基地。

雖然前面的研製工作非常艱難，但是我們的衛星到最後的狀態非常好。衛星到了發射場以後，狀態非常穩定，沒有出過問題，那時其實我們的工作安排是比較輕鬆的，就怕大家忙中出錯，把一個造價10億元的衛星給碰壞了。

我們有很多空閒時間，但是這個空閒時間是不能隨便活動的，有兩個原因：一個原因是這個發射場在戈壁灘的一個綠洲里，你獨自外出可能有生命危險；另一個原因是這裡是一個軍事基地，不能讓你隨便到處走動，萬一你拍張照片發到朋友圈裡，很可能國家機密就被你泄露了。

所以我們經常把大家組織在一起進行集體活動，比如這是發射基地旁邊的狼心山，狼是蒙古族的圖騰，所以狼心山是這裡很重要的一個景點，這上面還有用於觀察的像地堡這樣的裝置。我們會帶領大家去攀登狼心山。

酒泉衛星發射基地是在沙漠裡面的一個綠洲，之所以形成這樣一個綠洲是因為我國第二大內陸河、發源於祁連山的弱水河流經這個地方。夕陽西下的時候非常美，水淺淺的，沙洲平平的，給人一種美的享受，是一種對過去的追思。

這裡有人工湖，也有各種精美的雕塑。圖片中標註的是彩虹橋，彩虹橋是架在弱水河上面進出這個基地的一個大門，你想進入這個基地就一定要經過彩虹橋，所以彩虹橋實際上有某種標誌性的意義。

經過50天左右的工作，6月6日，衛星就裝配完成了。當時我們擺pose照相，大家可以看到我們下面這些人站成了「HXMT」的形狀。大家很開心，整個衛星測試沒有出現任何問題。

衛星裝配完了以後，開始要進入火箭的載荷艙。進入載荷艙以後，我們又和衛星一起合影。載荷艙外面還貼著國旗。

衛星裝到這個載荷艙裡面以後，要運到發射塔架上去，和火箭對接。從衛星的組裝廠房到發射塔架有4千米，汽車拉著這個載荷艙大概要走40分鐘。它走的很慢，就是怕這個過程中忙中出錯。我們這些測試人員是可以坐在大巴車上面跟著的，但是那一天，我們都不約而同地在旁邊慢跑，這裡面有我們的總指揮、副總指揮，我作為總設計師也跟著大家一起跑。

這種心情非常複雜，我取了一個名字叫「送親」。這真的就好像自己的女兒長大了要出嫁，我們希望它好好地去迎接一個成功的、美滿的生活，同時我們還是依依不捨的，因為我參與衛星研製工作24年了。

2017年，48歲的我在酒泉衛星發射基地給官兵們做報告的時候說，我生命一半的時間都和衛星聯繫在一起。我當時做的科普報告跟今天的內容不太一樣，他們聽完以後特別的感謝，覺得學到了很多知識。我說我首先要感謝的是你們，因為你們為我生命一半時間所做的一個項目提供了發射服務。

這是在發射當天凌晨5點30分的時候，我們要去值班，要了解衛星最後的狀態是不是正常。去之前我們照了一張照片，中間挎了一個斜包的、個子最矮的就是我。

其實當天晚上大家非常的疲憊，我們一晚上沒睡好覺。那天晚上，我寫了一篇散文，細述了我參與這個項目，裡面經歷過的那些讓自己難忘的時刻，然後發送到我們發射圈的群裡面，與大家一起分享。其實大家基本上都睡不著。我們凌晨四點鐘起床，然後吃飯、整理，我們把行李箱都要準備好。

6月15日11點，衛星在酒泉衛星發射基地成功發射，當時我們很多同事在發射場都流下了眼淚。後來他們問我，說盧老師，你流眼淚了嗎？我回想了一下，說我一滴眼淚也沒有流，我說我當時的感覺就是火箭千萬別歪呀！別掉下來呀！那種感覺已經不可能說讓你放鬆，雖然火箭發射成功了，但是衛星怎麼樣還不知道呢。

成功發射以後，12點鐘，我們吃完飯就要馬上趕路去西安。這是我人生寫的第一首詞，很短。因為詞寫起來很難，它要講平仄，又要講押韻，所以找了首《憶江南》，是最簡單的一首詞。我是這樣寫的：「東風遠，彩虹留天邊。夕陽沙洲弱水繞，狼心山上步維艱，抬首望西安。」

我們看到彩虹橋已經是隱隱約約在天邊了，這時候我們回想在基地里的歲月，其實也是在回想我們自己和衛星相伴的這些年年歲歲。我們攀登狼心山時的艱難也就象徵著我們這些年來和衛星在一起的那些艱難的時刻。克服了困難，不要再懷念過去，我們要趕快趕到西安去，因為我們要到西安衛星測控中心，到那裡才能把我們的這些載荷開機，看它們的指標參數是不是正常。

到了西安以後，我們打開所有的載荷，上面的科學儀器總共有70台，全部工作正常。到現在為止，衛星工作了一年半多，已經執行了各類觀測一千餘次，也取得了很多的科學成果。

我簡單講一下其中幾項科學成果。比如剛才講了，我們的衛星上天就是要去探測極端天體，像黑洞和中子星。比如這是我們研究的一種現象，黑洞具有強引力場，它會使得周圍的時空扭曲或者說坐標系變形。如果一個黑洞旋轉的時候，它就會帶著周圍的坐標系一起旋轉。

在這樣一個旋轉的坐標系裡面，物質是怎麼運動的，又是怎麼加速的，怎麼輻射的？黑洞本身不發光，但是物質掉入黑洞的過程中會發出強的X線輻射。那麼通過這樣一些輻射，就可以了解到底這裡面是什麼樣的時空結構，剛才講的物理規律怎麼去實現。這樣一個旋轉它會產生一種叫准周期的變化特性，我們叫准周期振蕩。

2004年，美國哈佛大學的一位科學家P.Kaaret提出來一個比較大的衛星項目。當時美國的RXTE衛星已經運行十年，工作得非常好。他提出來說要做下一代RXTE衛星的繼任者，它叫RAE，就是相對論天體物理探索衛星，想探測出黑洞對周圍時空結構的影響。

他在這個項目說明里放了唯一的一張圖，他說我們通過RXTE衛星觀測到了黑洞裡面的准周期變化，就是前面提到的和黑洞自轉、時空拖曳、坐標系扭曲密切相關的這種准周期的行為。它的幅度隨著能量是往上走的，但是由於它的能量段有限，不知道往上還會繼續怎麼走。

一般認為，如果光子能量越高，它越起源於離黑洞近的地方，RXTE衛星大概到了30千電子伏以上就不行了。但他希望了解更高能量的地方會有一些什麼樣的特性，這樣對黑洞的了解也會更加深刻。

「慧眼」衛星可以達到200千電子伏。這個信息非常重要，因為幾十千電子伏，它可以是熱輻射過程，電子還是一個熱運動，它不是相對論的運動，到了100千電子伏以上都是相對論性的運動的電子發射出來的輻射。在與黑洞臨近的區域，有些什麼樣的物理過程在發生，為什麼在那樣的區域會發生這樣的過程，通過「慧眼」衛星的觀測，我們可以描述物質運動的過程，還可以描述物理規律的變化。

「慧眼」衛星還可以觀測中子星的磁場，我們看到了來自中子星的迴旋吸收線。著名的物理學家朗道提出，如果磁場足夠強的時候，電子繞著磁力線運動，可能它的這個能級是量子化的，這時候通過量子化能到的能級就可以測量磁場的強度。

我們以20倍標準偏差（標準偏差就是離開正常的漲落有多少倍，如果這個倍數越高它就越顯著）看到這樣一個天體，也就是說我們直接測量到了宇宙中最強的磁場。

在我們之前，美國的衛星和日本的衛星聯合起來，他們測到了一個4倍標準偏差，在物理學上，我們一般是以5倍標準偏差作為一個發現的依據。我們要實行觀測，當然希望超過5倍標準偏差，我沒想到「慧眼」衛星的能力這麼強，最後實現了20倍標準偏差，已經遠遠超過了發現的標準。

「慧眼」衛星對中子星的觀測還有一些很有意思的事情。我拿這篇文章來講，是因為這篇文章和中關村中學也有關係，這篇文章的第一作者的「師姐」就在中關村中學的高二學習。一般我們跟著老師學習的時候，都是以「進門」的前後作為區分，誰在前面誰就是師兄或者師姐，後面入門的就是師弟或者師妹。他入學的時候，他的導師已經有了一個4歲的女兒，然後這個4歲的女兒現在在你們的中學讀高中二年級，所以她的「師弟」取得了一個非常重要的成果，我想展現給大家。

這個成果實際上是描述中子星表面發生熱核聚變的過程，這個過程非常有意思，它可以用來測量中子星的半徑，我們知道用別的方法可以測量中子星的重量，有了半徑和重量以後，我們就可以了解中子星抵抗引力或者抵抗壓力的物理過程。

「慧眼」衛星在2018年1月8日召開了第一屆用戶大會，在2018年12月17日召開了第二屆用戶大會，來自全球的200多位科學家已經成為我們的科學用戶，所有科學結果會源源不斷地產生。「慧眼」衛星運行得很好，我們預期它還會有好幾年的壽命。

未來

中國在發展，科學在進步，它一定是一個不斷滾動向前的過程。2007年，我和我的同事們一起提出了「慧眼」衛星的後續型號，當時還叫hxmt衛星，我說我們「慧眼」衛星已經提出14年了，2007年的時候還沒有正式立項，下一顆衛星一定還會經過非常艱難曲折的過程。

經過十幾年的預研，2018年3月的時候，中國科學院批覆了我們做這樣一顆衛星，這個項目大概要花費30億元，是中國牽頭的、多國合作的這樣一個大型的空間科學的衛星項目。

我們和國外的同類衛星相比，它的能力有數量級的提高，可以說是中國從一個發展中國家到一個大國再到一個強國這樣一步一步發展的一個縮影。

3月，科學院宣布我們要建造這顆衛星以後，美國的《科學》雜誌（全世界最重要的報導科學領域相關成果和動態的一本雜誌）發表了一篇文章，說中國在為一個雄心勃勃的X射線天文台磨刀，這個項目將穩固中國在X射線天文領域領導者的地位。

我是這個項目當時最早的提出者，後來實際上真正推動的時候，我的師兄張雙南研究員起的作用比我重要得多，他現在是這個項目的首席科學家，我是他的項目經理。在接受《科學》雜誌記者採訪的時候，我表達了這樣一個想法，我說多年以來，我們都在用歐洲或者美國的衛星數據進行科學研究，現在中國發展了，我們也希望為外國的科學家做出這種基礎性的貢獻。

為什麼我說這件事情？中國的科學發展絕對不能只數一數我們發表了多少篇科學論文，因為這只是在收割最後的糧食。真正要讓科學健康發展，我們一定要從很初期的一系列概念的構想、儀器的研製、科學的設計、最後的生產到最後的發射運行，構成一個完整的鏈條。這樣，我們的科學才能持續地、健康地、長久地發展下去，才能夠取得真正重大的成果。

謝謝大家！

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