世界微頭條丨慧眼衛星又有新發現？這個幕后功臣你有必要認識一下

最近，我國慧眼衛星團隊再次大幅度刷新了最高能量回旋吸收線和宇宙最強磁場直接測量的世界紀錄，科學家表示，本次觀測對應的中子星表面磁場強度超過16億特斯拉，超過2020年直接測量到的約10億特斯拉的宇宙磁場。

【資料圖】

慧眼衛星觀測能力如此之強，其實離不開其中強大的數據分析能力。慧眼衛星是如何收集信息的？又如何處理它們呢？讓我們接著往下看。

慧眼衛星觀測吸積脈沖星藝術圖

（圖片來源：中科院高能所）

一、HXMT望遠鏡衛星如何收集數據？

我們已經知道，衛星上搭載了高能望遠鏡、中能望遠鏡和低能望遠鏡三臺望遠鏡載荷，不過，在數據分析方法的層面上，高、中、低能三臺望遠鏡沒有本質區別。因此，接下來我們以高能望遠鏡為例，進一步展開介紹硬X射線調制望遠鏡的科學數據分析。

想必大家都知道醫院用的CT吧，CT的中文名是計算機斷層掃描成像。這和硬X射線調制望遠鏡的掃描觀測模式十分接近。

CT機

（圖片來源：veer圖庫）

區別在于，CT是把樣品（比如患者）放在中心，射線源和探測器繞著樣品轉，所成圖像反映樣品斷層不同位置對射線的吸收率或者透過率。望遠鏡的掃描在幾何意義上相當于從樣品（比如銀河系）內部掃描，所得圖像反映樣品沿著視線方向投影到某個單位球面上的亮度分布。

咦，不對啊，我看新聞里說，這臺望遠鏡不能直接成像啊！那圖像是怎么得到的呢？

當來自天體的X射線光子入射到碘化鈉晶體時，晶體發出閃爍光

（圖片來源：于中科院高能物理研究所）

準直器本質上就是一根中空的管子，用X射線不容易穿過的材料制成。當準直器正對X射線源時，能夠穿過準直器并到達探測器的X射線光子最多；當準直器略微偏轉時，X射線光子計數率（單位時間的個數）隨之下降；當準直器偏轉角度大到一定程度時，X射線光子就無法通過準直器的孔徑入射了，而只能在內壁散射或者從外壁穿透到達探測器，計數率也因此顯著降低。

因此，我們用準直器一邊旋轉掃描并記錄每個時刻準直器指向與初始指向的夾角，一邊記錄每個光子到達探測器的時刻，就完成了對X射線源的掃描觀測，并取得了觀測數據——光子到達事件與探測器狀態時間序列。

X射線的像 （圖片來源：Insight—HXMT)

二、如何處理收集到的數據？

接下來，我們把時間軸劃分成等間隔的時間段，并累加出每個時間段內到達的光子個數。也就是說，每個時間段內到達光子個數就是隨著探測器指向變化的函數。推廣一步來說，觀測數據可以表示為探測器狀態的函數。

X射線望遠鏡的計數譜

（圖片來源：Insight—HXMT)

發射之前，科學家在地面預先通過標定實驗，標定了探測器的特性（例如探測效率、空間響應、能量響應等），并與理論模型相比較，從而檢驗理論模型是否全面、準確。發射之后，在軌開展標定實驗，不斷修正模型。這樣，探測器響應大體上可作為帶有一定不確定性的已知函數。其中，探測器響應、觀測數據，是推算目標特征的關鍵。

可以這樣理解，假設有一個建有游泳館的小鎮，“觀測數據”就是我們每天記錄下來的小鎮游泳館門票銷量，“探測器響應”主要描述實際入館游泳人數和門票銷量之間的對應關系，我們需要從這些信息中，來推測出，游泳愛好者團體的成員數量變化以及鍛煉強度變化等“目標特征”。

實際工作中，科學家們采用了一些具體方法，來解決上述簡化情形沒有涵蓋的具體問題。

例如，盡管望遠鏡專門配備的探測器來測量本底，但是考慮到不同成分的本底，以及探測器之間的個體差異，科學家仍然設計了多種在軌實驗方案和數據分析方法，來估計望遠鏡探測過程中的本底，比如前面提到的小鎮游泳館模型。再比如，實際的調制方程維度高、復雜性高，這樣依賴，解調的計算需求就很突出。因此，我們基于機器學習、壓縮感知等技術，設計了自適應的快速算法。

這些看似雜亂無章的數據，凝結著幾代人的科研汗水，蘊藏著可供發掘的宇宙秘密。慧眼衛星能為我們帶來多少驚喜？也許我們暫時還無法準確回答這個問題，但是在廣闊、神秘的宇宙中，我們堅信，還有許多奧秘等待人類解鎖，慧眼衛星作為人類望向太空的眼睛，將承載著我們的好奇，就向宇宙更深處進發！

出品：科普中國

作者：中國科普博覽

標簽： 觀測數據 數據分析 理論模型