●記者 李婧
2018年10月29日,，清華大學(xué)主導(dǎo)的空間天文項(xiàng)目“極光計劃”發(fā)射升空。
同年12月18日,，極光計劃的探測器開啟高壓投入運(yùn)行,，成功探測到了空間X射線。
作為一門觀測驅(qū)動的科學(xué),，天文學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段,。清華大學(xué)天文系及工物系馮驊教授研究團(tuán)隊十年磨一劍，成功通過立方星發(fā)射并運(yùn)行近半個世紀(jì)以來第一個專門的空間軟X射線偏振探測器。這也是工物系過去10年發(fā)展高能天體物理,、推動學(xué)科交叉的結(jié)果,。
以“年”為單位的長期觀測，也給團(tuán)隊帶來意外收獲,。
2019年7月23日,，蟹狀星云脈沖星發(fā)生的一次自轉(zhuǎn)突變。同時,，探測器捕捉到偏振信號變化,。
2020年5月11日，《自然·天文》雜志封面刊登馮驊課題組與合作者共同完成的最新成果：在衛(wèi)星上經(jīng)過一年的觀測,，X射線偏振探測器探測到來自蟹狀星云及脈沖星的軟X射線偏振信號,，并首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星自轉(zhuǎn)突變和恢復(fù)過程中X射線偏振信號的變化，說明在此過程中脈沖星磁場發(fā)生了變化,。
這一探測結(jié)果也標(biāo)志著,，由于技術(shù)困難停滯了40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啟。
“極光計劃”立方星和探測器結(jié)構(gòu)示意圖
X射線偏振探測：看宇宙中的3D場景
探測X射線偏振,，我們在測什么,？
“偏振”和光的顏色（波長）都是電磁波的基本屬性之一。戴上偏振眼鏡看3D電影,，即是生活中常見的偏振原理應(yīng)用,。
“X射線也是電磁波的一種。我們希望在X射線波段看宇宙的3D場景——并不是像影院一樣看到3D圖像,，但確實(shí)是一個新的探測維度,。”馮驊解釋,，“黑洞,、中子星這類非常極端的天體雖然光學(xué)輻射很弱，卻是很強(qiáng)烈的X射線輻射體,。由于X射線波長非常短,，不存在像可見光偏振片那樣合適的濾鏡，X射線偏振的測量變得極其的困難,。但利用X射線偏振測量,，我們能夠獲得高能輻射區(qū)域磁場方位、天體的幾何對稱性,，從而進(jìn)一步理解與黑洞,、中子星等密切相關(guān)的天文現(xiàn)象的物理過程發(fā)生機(jī)制，對高能天體物理而言意義重大,?！?/p>
于是,，早在1968年，美國科學(xué)家就率先開展了天文X射線偏振探測,，并在1971年發(fā)射的探空火箭上完成了247秒的曝光,，第一次發(fā)現(xiàn)蟹狀星云的X射線輻射可能具有高度線偏振，并在1975年上天的OSO-8衛(wèi)星上完成了首次精確測量,。
然而,，40多年過去了，科學(xué)家們不斷論證X射線偏振的用處,，預(yù)言探測偏振對天體物理的科學(xué)價值,，卻再也沒有第二個X射線偏振探測設(shè)備在空間運(yùn)行,。探測靈敏度不足,，被認(rèn)為是X射線偏振技術(shù)的主要瓶頸之一。
技術(shù)轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2001年,。隨著核探測技術(shù)的發(fā)展,，意大利科學(xué)家證實(shí)了一種新型粒子探測技術(shù)可用于高靈敏度X射線偏振測量。這為X射線偏振測量帶來了“一種近乎理想的探測技術(shù)”,。
2009年,，回到清華大學(xué)任教不久的馮驊開始帶領(lǐng)團(tuán)隊，在國際合作的基礎(chǔ)上,，對X射線偏振探測技術(shù)進(jìn)行探索和改進(jìn),。
馮驊教授在實(shí)驗(yàn)室
在實(shí)驗(yàn)室：制長壽命、高性能探測器
2010年初,，第一次向馮驊請教的工程物理系學(xué)生李紅,，對X射線偏振可以說知之甚少，但聽完老師的介紹,，李紅被迅速“安利”：“一方面對研究方向很感興趣,，另一方面也發(fā)現(xiàn)本科階段關(guān)于核科學(xué)核技術(shù)方面的知識積累其實(shí)可以應(yīng)用到天文研究領(lǐng)域?！?/p>
以本科畢業(yè)設(shè)計為起點(diǎn),，李紅跟隨馮驊老師攻讀博士學(xué)位，全心投入到偏振測量方法和儀器研究中,?！霸赬射線偏振探測發(fā)展的停滯階段，又恰逢新技術(shù)的出現(xiàn),，我們更希望做前沿性工作,。”李紅說,。
在實(shí)驗(yàn)室研究階段,，團(tuán)隊的目標(biāo)就一直是“做出能夠滿足空間應(yīng)用需求的長壽命、高性能”的探測器。這種新型X射線偏振探測器外形大致如一個火柴盒大小,，傳感器面積大概相當(dāng)于一枚硬幣,。探測方案在初期就已經(jīng)明晰：X射線通過鈹窗進(jìn)入探測器，與探測氣體發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子,。通過測量運(yùn)動的光電子穿過氣體留下的二維徑跡,，推斷出入射X射線的偏振信息。
潔凈間實(shí)驗(yàn)場景
然而,，單是探測氣體密封在“火柴盒”內(nèi),，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的工作性能，就花了團(tuán)隊整整兩年時間,。
實(shí)驗(yàn)初期做出的探測器,，總是在短時間內(nèi)就被燒壞——核心部件氣體電子倍增器（GEM）因高壓放電被擊穿。在著急忐忑卻找不到性能下降的原因時,，馮驊曾經(jīng)告訴團(tuán)隊,，做實(shí)驗(yàn)的時候不要害怕“搞破壞”，“弄壞東西并找到原因說明你的嘗試有效果,?！?/p>
通過反復(fù)的測試研究，氣體純度這一“罪魁禍?zhǔn)住北话l(fā)現(xiàn),。由于探測器是一個密閉環(huán)境,，當(dāng)純凈的探測氣體充入后，探測器結(jié)構(gòu)材料表面吸附的雜質(zhì)氣體會慢慢釋放,，使得探測氣體純度下降,，從而引起性能衰減，嚴(yán)重時就會“燒毀”探測器,。
探測器封裝檢查
掌握“閉氣型氣體探測器的封裝技術(shù)”的過程,，是一個徹徹底底的學(xué)科交叉工程。超高真空技術(shù)方面的問題,，團(tuán)隊請教過中國計量科學(xué)研究院和校內(nèi)凝聚態(tài)物理方面的專家,；結(jié)構(gòu)材料方面的問題，參考航空航天材料標(biāo)準(zhǔn),，經(jīng)過再三地測試對比,，篩選出滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的、極低出氣率的材料,；探測器封裝環(huán)境方面有差距,，則搭建超凈室、進(jìn)行烘烤除氣,，想方設(shè)法降低雜質(zhì)成分,；還找到專屬研究院進(jìn)行氣體提純工作,，將氣體純度從市面上常見的99.9%提高至99.999%……
至此，團(tuán)隊邁出重要一步：成品探測器實(shí)現(xiàn)了長壽命的要求,，從最初只有約30分鐘的工作壽命,，到封好之后5-10年性能都不會改變。
2017年,，團(tuán)隊高靈敏度,、低系統(tǒng)誤差的X射線偏振探測器在實(shí)驗(yàn)室研制成功，并且通過了一系列空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的檢驗(yàn),。
團(tuán)隊研制出的探測器
巧合的是,，那一年，商業(yè)航天在中國興起,，為新探測技術(shù)和方法的飛行驗(yàn)證提供了更多可能性,，由清華大學(xué)牽頭研制的空間實(shí)驗(yàn)“極光計劃”應(yīng)運(yùn)而生?！皹O光計劃”之名PolarLight,，縮寫自輕型偏振儀（Polarimeter Light）,，也源于其研究對象偏振這一“極化的光線”的簡稱——極光,。以此為名，希望利用微納衛(wèi)星平臺在衛(wèi)星軌道上直接驗(yàn)證X射線偏振探測技術(shù),，從而提高技術(shù)成熟度,，為未來的空間天文探測所用。
“空間工程是一次性的高風(fēng)險項(xiàng)目,，哪怕有一個虛焊電阻,，升空前未能排查出來，整項(xiàng)工作就會宣告失敗,。從實(shí)驗(yàn)室測試,、基地發(fā)射，到空間調(diào)試開機(jī)和運(yùn)行,，每一個環(huán)節(jié)都不容錯,。”馮驊深知空間天文的不易,，也對團(tuán)隊充滿信心,。
2017年國慶前，第一版本的空間載荷研制完成,。一年的緊張調(diào)試和標(biāo)定后,，終于在2018年10月29日，“極光計劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號”立方星上,，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射到近地軌道上,。11月6日,，探測器加電自檢成功。經(jīng)過多輪調(diào)試,，12月18日開啟高壓投入運(yùn)行,，工作狀態(tài)正常?！皹O光計劃”“首發(fā)”,，團(tuán)隊迎來了真正意義上的慶祝時刻。
脈沖星突變：做專一的,、以“年”為量級的研究
如今,，“極光計劃”團(tuán)隊，也不過馮驊這位帶頭人,，一名工程師,，一名博士后和3-4名學(xué)生的規(guī)模。
團(tuán)隊雖小,，在技術(shù)支持和數(shù)據(jù)處理方面的分工運(yùn)轉(zhuǎn),，也和空間中的立方星一樣有條不紊。
來自物理系的龍翔云,，興趣使然,，大二即加入了馮驊參與指導(dǎo)的學(xué)生項(xiàng)目“天格計劃”，積極建設(shè)伽馬暴探測網(wǎng)絡(luò),。2019年,，龍翔云從本科畢業(yè)設(shè)計起轉(zhuǎn)向“極光計劃”，并繼續(xù)跟隨馮驊老師讀博,。
過去的一年多,，龍翔云為探測器編寫“日更”指令集，已經(jīng)完成3000多次開關(guān)機(jī)指令,。
“我每天都會為探測器提供‘明日工作計劃’,，通過衛(wèi)星公司上傳至空間。以蟹狀星云脈沖星的位置信息為基礎(chǔ),，結(jié)合衛(wèi)星軌道信息,，目標(biāo)源、衛(wèi)星和地球的相對位置,，形成開關(guān)機(jī),、轉(zhuǎn)向等指令，保證探測器避開高通量高能粒子的損傷,，星敏感器一直指向星空,。”
衛(wèi)星日常運(yùn)行設(shè)計,，超出了團(tuán)隊專業(yè)范圍,；控制程序設(shè)計,，對于學(xué)物理出身的龍翔云來說也屬跨界?！盀榱俗畲蠡^測效率,，和馮老師商量后，我們決定自主設(shè)計運(yùn)行程序,?！彪m然笑言python寫起來比較流暢，但修補(bǔ)bug也在前期也消耗了不少功夫,。龍翔云說：“目前程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度自動化,，每天只需5分鐘即可完成?！?/p>
2019年3月,，探測器進(jìn)入常規(guī)觀測，盯準(zhǔn)了蟹狀星云脈沖星,。似“時鐘”般運(yùn)轉(zhuǎn)精確的脈沖星常會在某一個時間點(diǎn)發(fā)生一次自轉(zhuǎn)周期突變,，然后慢慢恢復(fù)，這種自轉(zhuǎn)突變是一種有待研究的天文現(xiàn)象,。7月23日,，蟹狀星云脈沖星的自轉(zhuǎn)突變被X射線偏振探測器捕捉?！拔覀冇^測到,，經(jīng)過幾十天,，脈沖星的偏振信號又慢慢恢復(fù),，這一新的發(fā)現(xiàn)有助于理解脈沖星、也就是中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu),?！卑殡S“極光計劃”重回團(tuán)隊做博士后研究，李紅稱這是自己“最大的驚喜”,。這篇登上《自然·天文》封面的成果被審稿人稱為“高能天體物理領(lǐng)域期待已久的成果”,。
蟹狀星云的X射線圖和探測器直接測到的電子徑跡圖像
然而，數(shù)據(jù)的處理和解釋也頗費(fèi)了一番功夫,。
“在偏振計算之外,，我們還需折疊出蟹狀星云的脈沖相位。蟹狀星云的脈沖約為33毫秒一個周期,，為了提高信噪比,，我們需要把所有觀測數(shù)據(jù)按脈沖周期疊加后得出結(jié)論?！悲B加過程中的時間矯正又一次“超綱”,，查閱資料后的嘗試效果并不明顯,，龍翔云還專門向中科院高能物理研究所葛明玉老師請教。最終經(jīng)過4周程序設(shè)計,，完成時間矯正工作,。
“團(tuán)隊雖小，五臟俱全,?！饼埾柙普f，大多數(shù)成員都是因興趣加入的,，每周組會和靈活討論中,，來自工程物理系和物理系等各院系的成員們發(fā)散討論、相互促進(jìn)：“在項(xiàng)目推進(jìn)中學(xué)以致用,，我們都希望懂得更多一些”,。
在馮驊看來，某些科學(xué)問題需要對一個科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行長期的跟蹤與觀測,，“極光計劃”使用的立方星恰好成為了大型天文項(xiàng)目的一種彌補(bǔ)手段,。“極光計劃還為我們的人才培養(yǎng)和交叉研究提供了很好的平臺,。一個完整天文項(xiàng)目的經(jīng)歷,，能夠極大豐富同學(xué)們的學(xué)術(shù)訓(xùn)練。此外,，我們的立方星同時裝載了清華大學(xué)學(xué)生項(xiàng)目‘天格計劃’的首個探測器,。”馮驊說,。
馮驊（左）與博士后李紅進(jìn)行數(shù)據(jù)分析討論
這個特殊的寒假,，留守實(shí)驗(yàn)室的李紅、居家的龍翔云和其他成員都跟上進(jìn)度,，推動著“極光”系列的運(yùn)行和發(fā)射計劃,。說起“極光計劃”的未來，團(tuán)隊成員都踏實(shí)而樂觀,。
“觀測中的驚喜,，來源于我們步步積累出創(chuàng)造偶然的基石?！饼埾柙普f,，蟹狀星云脈沖星之外，探測器對人類發(fā)現(xiàn)的第一個宇宙X射線源“天蝎座X-1”也有一些數(shù)據(jù)積累,，并將納入下一步工作計劃,。“可能源于《三體》的影響,，我對天文廣闊研究對象的向往,，賦予了自己更大的研究動力,。”
“天文學(xué)的理論突破往往建立在新的觀測基礎(chǔ)之上,?！崩罴t說，觀測結(jié)果再次說明了我們對遙遠(yuǎn)星體進(jìn)行偏振測量的不可替代的作用,。通過極光在軌狀況分析,，大家也對探測器的升級改造有了更多想法。李紅表示,，更多的數(shù)據(jù)可能意味著全新的發(fā)現(xiàn),，希望能對今后的項(xiàng)目產(chǎn)生積極推進(jìn)作用，吸引更多喜歡天文的人投入科學(xué)研究,。
“我們與合作伙伴共同完成的極光計劃證明了第二代X射線偏振探測技術(shù)的強(qiáng)大能力,。”馮驊介紹,，“極光計劃”所采取的技術(shù),，將被應(yīng)用到預(yù)計2027年發(fā)射的我國下一代大科學(xué)工程“增強(qiáng)型X射線時變與偏振天文臺(eXTP)”上。
（清華新聞網(wǎng)5月20日電）
攝影：李派
圖片來源：天文系
編輯：趙姝婧 李晨暉
審核：程曦
