最近，我國慧眼衛(wèi)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(jì)錄，科學(xué)家表示，本次觀測對應(yīng)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(wèi)星觀測能力如此之強，其實離不開其中強大的數(shù)據(jù)分析能力?；垩坌l(wèi)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(wèi)星觀測吸積脈沖星藝術(shù)圖

（圖片來源：中科院高能所）

一、HXMT望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星如何收集數(shù)據(jù)？

我們已經(jīng)知道，衛(wèi)星上搭載了高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡和低能望遠(yuǎn)鏡三臺望遠(yuǎn)鏡載荷，不過，在數(shù)據(jù)分析方法的層面上，高、中、低能三臺望遠(yuǎn)鏡沒有本質(zhì)區(qū)別。因此，接下來我們以高能望遠(yuǎn)鏡為例，進一步展開介紹硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)數(shù)據(jù)分析。

想必大家都知道醫(yī)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(diào)制望遠(yuǎn)鏡的掃描觀測模式十分接近。

CT機

（圖片來源：veer圖庫）

區(qū)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(zhuǎn)，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(yuǎn)鏡的掃描在幾何意義上相當(dāng)于從樣品（比如銀河系）內(nèi)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(yuǎn)鏡不能直接成像??！那圖像是怎么得到的呢？

當(dāng)來自天體的X射線光子入射到碘化鈉晶體時，晶體發(fā)出閃爍光

（圖片來源：于中科院高能物理研究所）

準(zhǔn)直器本質(zhì)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(dāng)準(zhǔn)直器正對X射線源時，能夠穿過準(zhǔn)直器并到達(dá)探測器的X射線光子最多；當(dāng)準(zhǔn)直器略微偏轉(zhuǎn)時，X射線光子計數(shù)率（單位時間的個數(shù)）隨之下降；當(dāng)準(zhǔn)直器偏轉(zhuǎn)角度大到一定程度時，X射線光子就無法通過準(zhǔn)直器的孔徑入射了，而只能在內(nèi)壁散射或者從外壁穿透到達(dá)探測器，計數(shù)率也因此顯著降低。

因此，我們用準(zhǔn)直器一邊旋轉(zhuǎn)掃描并記錄每個時刻準(zhǔn)直器指向與初始指向的夾角，一邊記錄每個光子到達(dá)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(shù)據(jù)——光子到達(dá)事件與探測器狀態(tài)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(shù)據(jù)？

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(nèi)到達(dá)的光子個數(shù)。也就是說，每個時間段內(nèi)到達(dá)光子個數(shù)就是隨著探測器指向變化的函數(shù)。推廣一步來說，觀測數(shù)據(jù)可以表示為探測器狀態(tài)的函數(shù)。

X射線望遠(yuǎn)鏡的計數(shù)譜

（圖片來源：Insight—HXMT)

發(fā)射之前，科學(xué)家在地面預(yù)先通過標(biāo)定實驗，標(biāo)定了探測器的特性（例如探測效率、空間響應(yīng)、能量響應(yīng)等），并與理論模型相比較，從而檢驗理論模型是否全面、準(zhǔn)確。發(fā)射之后，在軌開展標(biāo)定實驗，不斷修正模型。這樣，探測器響應(yīng)大體上可作為帶有一定不確定性的已知函數(shù)。其中，探測器響應(yīng)、觀測數(shù)據(jù)，是推算目標(biāo)特征的關(guān)鍵。

可以這樣理解，假設(shè)有一個建有游泳館的小鎮(zhèn)，“觀測數(shù)據(jù)”就是我們每天記錄下來的小鎮(zhèn)游泳館門票銷量，“探測器響應(yīng)”主要描述實際入館游泳人數(shù)和門票銷量之間的對應(yīng)關(guān)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(shù)量變化以及鍛煉強度變化等“目標(biāo)特征”。

實際工作中，科學(xué)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(yuǎn)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(xué)家仍然設(shè)計了多種在軌實驗方案和數(shù)據(jù)分析方法，來估計望遠(yuǎn)鏡探測過程中的本底，比如前面提到的小鎮(zhèn)游泳館模型。再比如，實際的調(diào)制方程維度高、復(fù)雜性高，這樣依賴，解調(diào)的計算需求就很突出。因此，我們基于機器學(xué)習(xí)、壓縮感知等技術(shù)，設(shè)計了自適應(yīng)的快速算法。

這些看似雜亂無章的數(shù)據(jù)，凝結(jié)著幾代人的科研汗水，蘊藏著可供發(fā)掘的宇宙秘密。慧眼衛(wèi)星能為我們帶來多少驚喜？也許我們暫時還無法準(zhǔn)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(wèi)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(fā)！

出品：科普中國

作者：中國科普博覽

標(biāo)簽： 觀測數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分析 理論模型