最近，我國慧眼衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)再次大幅度刷新了最高能量回旋吸收線和宇宙最強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)，其實(shí)離不開其中強(qiáng)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(jī)

（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(gè)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)鏡不能直接成像啊！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(shí)，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(shí)，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(shí)，X射線光子計(jì)數(shù)率（單位時(shí)間的個(gè)數(shù)）隨之下降；當(dāng)準(zhǔn)直器偏轉(zhuǎn)角度大到一定程度時(shí)，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(jì)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(gè)時(shí)刻準(zhǔn)直器指向與初始指向的夾角，一邊記錄每個(gè)光子到達(dá)探測器的時(shí)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(shí)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(shí)間軸劃分成等間隔的時(shí)間段，并累加出每個(gè)時(shí)間段內(nèi)到達(dá)的光子個(gè)數(shù)。也就是說，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)到達(dá)光子個(gè)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(jì)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(shí)驗(yàn)，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(yàn)理論模型是否全面、準(zhǔn)確。發(fā)射之后，在軌開展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，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(gè)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(shí)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(tuán)體的成員數(shù)量變化以及鍛煉強(qiáng)度變化等“目標(biāo)特征”。

實(shí)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(gè)體差異，科學(xué)家仍然設(shè)計(jì)了多種在軌實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)分析方法，來估計(jì)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(shí)際的調(diào)制方程維度高、復(fù)雜性高，這樣依賴，解調(diào)的計(jì)算需求就很突出。因此，我們基于機(jī)器學(xué)習(xí)、壓縮感知等技術(shù)，設(shè)計(jì)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(yùn)藏著可供發(fā)掘的宇宙秘密?；垩坌l(wèi)星能為我們帶來多少驚喜？也許我們暫時(shí)還無法準(zhǔn)確回答這個(gè)問題，但是在廣闊、神秘的宇宙中，我們堅(jiān)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(jìn)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