多面的太陽
太陽，有很多面，人類肉眼所能看到的僅僅隻是它可見光下的一面（切勿用肉眼直接觀察太陽喲！）。但除了可見光，太陽還會不斷地向外輻射出其他形式的光：從波長最長的射電波到波長最短的伽馬射線等。
電磁波譜。
17世紀，當望遠鏡剛被發明時，它也跟我們的肉眼一樣，隻能收集可見光。現如今，随着技術的飛速發展，可對不同波段的光進行探測的望遠鏡不斷出現，使天文學家有了譜寫完整太陽故事的機會。
今天，我們将把焦點放在太陽輻射出的X射線。
X射線的能量在大約0.1keV到數百keV之間的範圍，它也分為硬X射線和軟X射線。軟X射線的峰值流量也被作為标準用于衡量太陽耀斑爆發的級别，硬X射線則是我們今天所要關注的。
X射線天文學
19世紀末，當倫琴（Wilhelm Roentgen）意外發現X射線時，他肯定沒有預料到，X射線在100年後對我們的生活将會有多麼巨大的影響？在醫學、機場安檢、環境監測、材料加工、半導體和微晶片制造等領域，我們都能看到X射線的廣泛應用。
令人驚奇的是，X射線不僅改變了我們的生活，也賦予了我們一扇觀測宇宙的全新視窗。在宇宙中，那些高溫和有着大量高能粒子的區域，比如黑洞周圍、超新星遺迹、太陽耀斑，會釋放出大量的X射線。然而，與可見光不同的是，大部分外太空來的X射線無法直接穿透大氣抵達地面，它們會被大氣層阻擋。這就使得用X射線觀測宇宙變得異常困難。
直到1957年，史普尼克1号成功發射，成為第一顆進入太空的人造衛星。這标志着太空時代正式開啟，也為X射線天文學拉開了序幕。像錢德拉X射線天文台（Chandra）、XMM牛頓望遠鏡（XMM-Newton）、核分光望遠鏡陣（NuSTAR）等都是非常著名的X射線空間任務。
由于地球大氣層對X射線的吸收作用，X射線探測無法在地面進行，必須通過高空氣球、探空火箭或者衛星在空間進行觀測。圖中在X射線波段下的衛星為ASO-S。
為了對太陽進行X射線探測，迄今為止，國際上也已發射了許多太陽探測衛星，比如太陽極大使者（SMM）、火鳥号（HINOTORI）、陽光号（Yohkoh）、太陽高能光譜成像探測器（RHESSI）等。
我們今天所要探讨的主角，是正在研制中的“先進天基太陽天文台（ASO-S）”的載荷之一——“硬X射線成像儀（HXI）”，其主要科學目标是在約30keV-200keV能量段對太陽耀斑的高能輻射進行能譜和成像觀測。
太陽耀斑與硬X射線
耀斑是太陽表面上的一種突然、快速的增亮現象，其中X射線的流量更是可增強超過5個數量級。在耀斑的驅動下，太陽等離子體中的自由電子會加熱和加速，成為高能電子。其中高溫等離子體會産生熱輻射，高能電子則會沿着耀斑環的磁力線高速運動，甚至接近光速。這些高能且高速的電子攜帶巨大的能量，在傳輸運動過程中也會産生輻射，對了解耀斑過程非常重要。
然而，在研究這些高能電子的過程中，産生了一系列有待解決的問題：
耀斑中巨大的能量是如何釋放的？
耀斑有多少電子獲得了加速？它們的來源？
它們是如何加速、傳播、輻射的？
它們最終消失在哪裡？
想要解決這些問題，就需要我們在耀斑所産生的硬X射線中尋找線索。
我們知道，當帶電粒子的速度改變（加速或減速）時，就會産生輻射。電子和離子都會輻射，但由于離子的品質比電子高得多，是以速度改變也會困難得多，是以它們産生的輻射可忽略不計。在太陽耀斑中，高能電子會與周圍的熱離子（主要是質子）互相作用損失能量，進而被減速。在速度的改變過程中，就會産生所謂的轫緻輻射（或稱為刹車輻射）。在耀斑中，那些由非熱電子産生的輻射被稱之為非熱轫緻輻射，通常由遠離熱動平衡的相對論性電子通過轫緻輻射産生。這種輻射也存在于極光、閃電的高能輻射裡，以及用于産生實驗室X射線的X光機等裝置中。
轫緻輻射。
由于硬X射線主要來自太陽耀斑高能電子在太陽大氣傳輸過程中與熱等離子體的互相作用，是以對硬X射線的探測，尤其是成像探測，能夠使我們更好地了解高能電子的産生、傳輸和釋放過程，進而幫助回答上面提到的科學問題。
硬X射線成像
X射線穿透物質的能力很強，可以穿過一般的反射鏡和透鏡，這使得X射線成像難以像光學成像那樣輕易實作聚焦。目前，國際上已發射的X射線衛星主要采用兩種途徑來實作X射線成像，分别為直接和間接。
直接成像和間接成像法（滑動檢視）。
我們今天的主角——ASO-S上的HXI所采用的，便是以上提到的空間調制傅立葉變換成像原理，但與Yohkoh相比，它具有更多數量的子準直器，能量探測範圍更廣、空間分辨率更高。
HXI由3台結構上獨立的單機組成:準直器、量能器以及電控箱，它們可分别類比于相機中的鏡頭、CCD和控制系統。
HXI。
HXI的空間分辨率可達3.1角秒，這個數值大約是1度的1/1200。
角秒、角分和度的關系。
HXI成像原理
當X射線照射HXI準直器時，一部分光子透過金屬鎢光栅（用對X光吸收率較高的材料制成的栅格狀擋闆）間的狹縫進入探測器，一部分光子由于光栅的阻擋而無法被探測器探測到。随着光子入射方向的改變, 它們在探測器上的透過率将會發生變化，并且呈現周期性的三角波函數。
HXI成像原理示意圖。
為了獲得太陽源區的硬X射線圖像，HXI使用了多達91個子準直器，它們具有不同的節距和角度組合。我們通過綜合解讀每個探測器的計數，利用它們之間的互相關系來獲得圖像。
HXI探測器就像一隻高科技複眼，其中不同節距不同擺放角的光栅就好比許多大小迥異的鏡筒，各司其職，有的擅長看大輪廓，有的擅長看小細節，把它們都綜合起來，就是一組強大的觀測陣列。
實拍圖（滑動檢視）。HXI共加工了超過3400片鎢光栅，每片光栅上具有成千上萬的狹縫。
每一對子準直器的計數是來自太陽平面所有位置的共同貢獻。那麼反過來，通過一對正弦和餘弦子準直器的計數，我們可得到一個傅裡葉分量，利用HXI上91個探測器得到的傅立葉分量，進行傅立葉逆變換，将得到太陽平面的X射線強度分布。
用HXI的光栅參數對“H、X、I”形狀的X射線源分别進行模拟成像的結果。随着光栅的不斷增多，反演的像越接近原貌。
對探測器資料直接還原得到的還隻是被稱為“髒圖”的模糊圖像，含有較多噪聲。之後，還需要通過各種圖像重建算法（如CLEAN、MEM、FORWARD等）對髒圖進行處理，即可将這些模糊的源圖像還原成清晰的目标。
空間天氣
深挖X射線成像原理、精心設計HXI、探索成像重建算法……科學家正努力地朝着科學目标前進。而在生活中，我們很難感受到太陽平靜表面下的暗流湧動。然而，當太陽耀斑爆發時，往往還會伴随着日冕物質抛射和高能粒子事件，它們會對地球磁場、空間裝置、地面電網、宇航安全、通訊導航造成嚴重的沖擊。是以，更好地了解耀斑的活動将有助于我們預防和降低這些災害性空間天氣對人類空間活動的危害和影響。
我們也期待，當ASO-S最終發射時，HXI将會帶來全新甚至意想不到的資訊。
#創作團隊：
文：陳維，李振同，蘇楊
#圖檔來源：
望遠鏡：
Chandra：NASA/CXC/NGST
XMM-Newton：NASA
NuSTAR：NASA/JPL-Caltech
INTEGRAL：NASA
SWIFT：NASA E/PO, Sonoma State University/Aurore Simonnet
RHESSI：NASA
Yohkoh：NASA/MSFC