慧眼卫星又有新发现？这个幕后功臣你有必要认识一下
来源： 科普中国 发布时间：2022-07-25
最近，我国慧眼卫星团队再次大幅度刷新了最高能量回旋吸收线和宇宙最强磁场直接测量的世界纪录，科学家表示，本次观测对应的中子星表面磁场强度超过16亿特斯拉，超过2020年直接测量到的约10亿特斯拉的宇宙磁场。
慧眼卫星观测能力如此之强，其实离不开其中强大的数据分析能力。慧眼卫星是如何收集信息的？又如何处理它们呢？让我们接着往下看。
慧眼卫星观测吸积脉冲星艺术图
（图片来源：中科院高能所）
一、hxmt望远镜卫星如何收集数据？
我们已经知道，卫星上搭载了高能望远镜、中能望远镜和低能望远镜三台望远镜载荷，不过，在数据分析方法的层面上，高、中、低能三台望远镜没有本质区别。因此，接下来我们以高能望远镜为例，进一步展开介绍硬x射线调制望远镜的科学数据分析。
想必大家都知道医院用的ct吧，ct的中文名是计算机断层扫描成像。这和硬x射线调制望远镜的扫描观测模式十分接近。
ct机
（图片来源：veer图库）
区别在于，ct是把样品（比如患者）放在中心，射线源和探测器绕着样品转，所成图像反映样品断层不同位置对射线的吸收率或者透过率。望远镜的扫描在几何意义上相当于从样品（比如银河系）内部扫描，所得图像反映样品沿着视线方向投影到某个单位球面上的亮度分布。
咦，不对啊，我看新闻里说，这台望远镜不能直接成像啊！那图像是怎么得到的呢？
当来自天体的x射线光子入射到碘化钠晶体时，晶体发出闪烁光
（图片来源：于中科院高能物理研究所）
准直器本质上就是一根中空的管子，用x射线不容易穿过的材料制成。当准直器正对x射线源时，能够穿过准直器并到达探测器的x射线光子最多；当准直器略微偏转时，x射线光子计数率（单位时间的个数）随之下降；当准直器偏转角度大到一定程度时，x射线光子就无法通过准直器的孔径入射了，而只能在内壁散射或者从外壁穿透到达探测器，计数率也因此显著降低。
因此，我们用准直器一边旋转扫描并记录每个时刻准直器指向与初始指向的夹角，一边记录每个光子到达探测器的时刻，就完成了对x射线源的扫描观测，并取得了观测数据——光子到达事件与探测器状态时间序列。
x射线的像 （图片来源：insight—hxmt)
二、如何处理收集到的数据？
接下来，我们把时间轴划分成等间隔的时间段，并累加出每个时间段内到达的光子个数。也就是说，每个时间段内到达光子个数就是随着探测器指向变化的函数。推广一步来说，观测数据可以表示为探测器状态的函数。
x射线望远镜的计数谱
（图片来源：insight—hxmt)
发射之前，科学家在地面预先通过标定实验，标定了探测器的特性（例如探测效率、空间响应、能量响应等），并与理论模型相比较，从而检验理论模型是否全面、准确。发射之后，在轨开展标定实验，不断修正模型。这样，探测器响应大体上可作为带有一定不确定性的已知函数。其中，探测器响应、观测数据，是推算目标特征的关键。
可以这样理解，假设有一个建有游泳馆的小镇，“观测数据”就是我们每天记录下来的小镇游泳馆门票销量，“探测器响应”主要描述实际入馆游泳人数和门票销量之间的对应关系，我们需要从这些信息中，来推测出，游泳爱好者团体的成员数量变化以及锻炼强度变化等“目标特征”。
实际工作中，科学家们采用了一些具体方法，来解决上述简化情形没有涵盖的具体问题。
例如，尽管望远镜专门配备的探测器来测量本底，但是考虑到不同成分的本底，以及探测器之间的个体差异，科学家仍然设计了多种在轨实验方案和数据分析方法，来估计望远镜探测过程中的本底，比如前面提到的小镇游泳馆模型。再比如，实际的调制方程维度高、复杂性高，这样依赖，解调的计算需求就很突出。因此，我们基于机器学习、压缩感知等技术，设计了自适应的快速算法。
这些看似杂乱无章的数据，凝结着几代人的科研汗水，蕴藏着可供发掘的宇宙秘密。慧眼卫星能为我们带来多少惊喜？也许我们暂时还无法准确回答这个问题，但是在广阔、神秘的宇宙中，我们坚信，还有许多奥秘等待人类解锁，慧眼卫星作为人类望向太空的眼睛，将承载着我们的好奇，就向宇宙更深处进发！
出品：科普中国
作者：中国科普博览
监制：中国科普博览
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