●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(jì)劃”發(fā)射升空。
同年12月18日，極光計(jì)劃的探測(cè)器開(kāi)啟高壓投入運(yùn)行，成功探測(cè)到了空間X射線(xiàn)。
作為一門(mén)觀(guān)測(cè)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)，天文學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴(lài)新的觀(guān)測(cè)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(duì)十年磨一劍，成功通過(guò)立方星發(fā)射并運(yùn)行近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)第一個(gè)專(zhuān)門(mén)的空間軟X射線(xiàn)偏振探測(cè)器。這也是工物系過(guò)去10年發(fā)展高能天體物理、推動(dòng)學(xué)科交叉的結(jié)果。
以“年”為單位的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，也給團(tuán)隊(duì)帶來(lái)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(shí)，探測(cè)器捕捉到偏振信號(hào)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(guò)一年的觀(guān)測(cè)，X射線(xiàn)偏振探測(cè)器探測(cè)到來(lái)自蟹狀星云及脈沖星的軟X射線(xiàn)偏振信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星自轉(zhuǎn)突變和恢復(fù)過(guò)程中X射線(xiàn)偏振信號(hào)的變化，說(shuō)明在此過(guò)程中脈沖星磁場(chǎng)發(fā)生了變化。
這一探測(cè)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(xiàn)偏振探測(cè)窗口重新開(kāi)啟。
“極光計(jì)劃”立方星和探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖
X射線(xiàn)偏振探測(cè)：看宇宙中的3D場(chǎng)景
探測(cè)X射線(xiàn)偏振，我們?cè)跍y(cè)什么？
“偏振”和光的顏色（波長(zhǎng)）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(jiàn)的偏振原理應(yīng)用。
“X射線(xiàn)也是電磁波的一種。我們希望在X射線(xiàn)波段看宇宙的3D場(chǎng)景——并不是像影院一樣看到3D圖像，但確實(shí)是一個(gè)新的探測(cè)維度?！瘪T驊解釋?zhuān)昂诙础⒅凶有沁@類(lèi)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(xiàn)輻射體。由于X射線(xiàn)波長(zhǎng)非常短，不存在像可見(jiàn)光偏振片那樣合適的濾鏡，X射線(xiàn)偏振的測(cè)量變得極其的困難。但利用X射線(xiàn)偏振測(cè)量，我們能夠獲得高能輻射區(qū)域磁場(chǎng)方位、天體的幾何對(duì)稱(chēng)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(guò)程發(fā)生機(jī)制，對(duì)高能天體物理而言意義重大?！?/p>
于是，早在1968年，美國(guó)科學(xué)家就率先開(kāi)展了天文X射線(xiàn)偏振探測(cè)，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(xiàn)輻射可能具有高度線(xiàn)偏振，并在1975年上天的OSO-8衛(wèi)星上完成了首次精確測(cè)量。
然而，40多年過(guò)去了，科學(xué)家們不斷論證X射線(xiàn)偏振的用處，預(yù)言探測(cè)偏振對(duì)天體物理的科學(xué)價(jià)值，卻再也沒(méi)有第二個(gè)X射線(xiàn)偏振探測(cè)設(shè)備在空間運(yùn)行。探測(cè)靈敏度不足，被認(rèn)為是X射線(xiàn)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(cè)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(cè)技術(shù)可用于高靈敏度X射線(xiàn)偏振測(cè)量。這為X射線(xiàn)偏振測(cè)量帶來(lái)了“一種近乎理想的探測(cè)技術(shù)”。
2009年，回到清華大學(xué)任教不久的馮驊開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際合作的基礎(chǔ)上，對(duì)X射線(xiàn)偏振探測(cè)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(zhǎng)壽命、高性能探測(cè)器
2010年初，第一次向馮驊請(qǐng)教的工程物理系學(xué)生李紅，對(duì)X射線(xiàn)偏振可以說(shuō)知之甚少，但聽(tīng)完老師的介紹，李紅被迅速“安利”：“一方面對(duì)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(shí)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(jì)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(cè)量方法和儀器研究中?！霸赬射線(xiàn)偏振探測(cè)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?！崩罴t說(shuō)。
在實(shí)驗(yàn)室研究階段，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)就一直是“做出能夠滿(mǎn)足空間應(yīng)用需求的長(zhǎng)壽命、高性能”的探測(cè)器。這種新型X射線(xiàn)偏振探測(cè)器外形大致如一個(gè)火柴盒大小，傳感器面積大概相當(dāng)于一枚硬幣。探測(cè)方案在初期就已經(jīng)明晰：X射線(xiàn)通過(guò)鈹窗進(jìn)入探測(cè)器，與探測(cè)氣體發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子。通過(guò)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的光電子穿過(guò)氣體留下的二維徑跡，推斷出入射X射線(xiàn)的偏振信息。
潔凈間實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
然而，單是探測(cè)氣體密封在“火柴盒”內(nèi)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作性能，就花了團(tuán)隊(duì)整整兩年時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)初期做出的探測(cè)器，總是在短時(shí)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(shí)，馮驊曾經(jīng)告訴團(tuán)隊(duì)，做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不要害怕“搞破壞”，“弄壞東西并找到原因說(shuō)明你的嘗試有效果?！?/p>
通過(guò)反復(fù)的測(cè)試研究，氣體純度這一“罪魁禍?zhǔn)住北话l(fā)現(xiàn)。由于探測(cè)器是一個(gè)密閉環(huán)境，當(dāng)純凈的探測(cè)氣體充入后，探測(cè)器結(jié)構(gòu)材料表面吸附的雜質(zhì)氣體會(huì)慢慢釋放，使得探測(cè)氣體純度下降，從而引起性能衰減，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)“燒毀”探測(cè)器。
探測(cè)器封裝檢查
掌握“閉氣型氣體探測(cè)器的封裝技術(shù)”的過(guò)程，是一個(gè)徹徹底底的學(xué)科交叉工程。超高真空技術(shù)方面的問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)請(qǐng)教過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和校內(nèi)凝聚態(tài)物理方面的專(zhuān)家；結(jié)構(gòu)材料方面的問(wèn)題，參考航空航天材料標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)再三地測(cè)試對(duì)比，篩選出滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的、極低出氣率的材料；探測(cè)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(zhuān)屬研究院進(jìn)行氣體提純工作，將氣體純度從市面上常見(jiàn)的99.9%提高至99.999%……
至此，團(tuán)隊(duì)邁出重要一步：成品探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)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(huì)改變。
2017年，團(tuán)隊(duì)高靈敏度、低系統(tǒng)誤差的X射線(xiàn)偏振探測(cè)器在實(shí)驗(yàn)室研制成功，并且通過(guò)了一系列空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的檢驗(yàn)。
團(tuán)隊(duì)研制出的探測(cè)器
巧合的是，那一年，商業(yè)航天在中國(guó)興起，為新探測(cè)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(jì)劃”應(yīng)運(yùn)而生。“極光計(jì)劃”之名PolarLight，縮寫(xiě)自輕型偏振儀（Polarimeter Light），也源于其研究對(duì)象偏振這一“極化的光線(xiàn)”的簡(jiǎn)稱(chēng)——極光。以此為名，希望利用微納衛(wèi)星平臺(tái)在衛(wèi)星軌道上直接驗(yàn)證X射線(xiàn)偏振探測(cè)技術(shù)，從而提高技術(shù)成熟度，為未來(lái)的空間天文探測(cè)所用。
“空間工程是一次性的高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，哪怕有一個(gè)虛焊電阻，升空前未能排查出來(lái)，整項(xiàng)工作就會(huì)宣告失敗。從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、基地發(fā)射，到空間調(diào)試開(kāi)機(jī)和運(yùn)行，每一個(gè)環(huán)節(jié)都不容錯(cuò)?！瘪T驊深知空間天文的不易，也對(duì)團(tuán)隊(duì)充滿(mǎn)信心。
2017年國(guó)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(jì)劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號(hào)”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(cè)器加電自檢成功。經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試，12月18日開(kāi)啟高壓投入運(yùn)行，工作狀態(tài)正常?！皹O光計(jì)劃”“首發(fā)”，團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了真正意義上的慶祝時(shí)刻。
脈沖星突變：做專(zhuān)一的、以“年”為量級(jí)的研究
如今，“極光計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)，也不過(guò)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(duì)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(lái)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(jì)劃”，積極建設(shè)伽馬暴探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。2019年，龍翔云從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)起轉(zhuǎn)向“極光計(jì)劃”，并繼續(xù)跟隨馮驊老師讀博。
過(guò)去的一年多，龍翔云為探測(cè)器編寫(xiě)“日更”指令集，已經(jīng)完成3000多次開(kāi)關(guān)機(jī)指令。
“我每天都會(huì)為探測(cè)器提供‘明日工作計(jì)劃’，通過(guò)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(duì)位置，形成開(kāi)關(guān)機(jī)、轉(zhuǎn)向等指令，保證探測(cè)器避開(kāi)高通量高能粒子的損傷，星敏感器一直指向星空?！?/p>
衛(wèi)星日常運(yùn)行設(shè)計(jì)，超出了團(tuán)隊(duì)專(zhuān)業(yè)范圍；控制程序設(shè)計(jì)，對(duì)于學(xué)物理出身的龍翔云來(lái)說(shuō)也屬跨界。“為了最大化觀(guān)測(cè)效率，和馮老師商量后，我們決定自主設(shè)計(jì)運(yùn)行程序?！彪m然笑言python寫(xiě)起來(lái)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(shuō)：“目前程序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，每天只需5分鐘即可完成?！?/p>
2019年3月，探測(cè)器進(jìn)入常規(guī)觀(guān)測(cè)，盯準(zhǔn)了蟹狀星云脈沖星。似“時(shí)鐘”般運(yùn)轉(zhuǎn)精確的脈沖星常會(huì)在某一個(gè)時(shí)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(xiàn)偏振探測(cè)器捕捉?！拔覀冇^(guān)測(cè)到，經(jīng)過(guò)幾十天，脈沖星的偏振信號(hào)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(jì)劃”重回團(tuán)隊(duì)做博士后研究，李紅稱(chēng)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(chēng)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(xiàn)圖和探測(cè)器直接測(cè)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(jì)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(gè)周期，為了提高信噪比，我們需要把所有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)按脈沖周期疊加后得出結(jié)論。”疊加過(guò)程中的時(shí)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(zhuān)門(mén)向中科院高能物理研究所葛明玉老師請(qǐng)教。最終經(jīng)過(guò)4周程序設(shè)計(jì)，完成時(shí)間矯正工作。
“團(tuán)隊(duì)雖小，五臟俱全?！饼埾柙普f(shuō)，大多數(shù)成員都是因興趣加入的，每周組會(huì)和靈活討論中，來(lái)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(lái)，某些科學(xué)問(wèn)題需要對(duì)一個(gè)科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤與觀(guān)測(cè)，“極光計(jì)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?！皹O光計(jì)劃還為我們的人才培養(yǎng)和交叉研究提供了很好的平臺(tái)。一個(gè)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(shí)裝載了清華大學(xué)學(xué)生項(xiàng)目‘天格計(jì)劃’的首個(gè)探測(cè)器?！瘪T驊說(shuō)。
馮驊（左）與博士后李紅進(jìn)行數(shù)據(jù)分析討論
這個(gè)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(dòng)著“極光”系列的運(yùn)行和發(fā)射計(jì)劃。說(shuō)起“極光計(jì)劃”的未來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員都踏實(shí)而樂(lè)觀(guān)。
“觀(guān)測(cè)中的驚喜，來(lái)源于我們步步積累出創(chuàng)造偶然的基石?！饼埾柙普f(shuō)，蟹狀星云脈沖星之外，探測(cè)器對(duì)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)宇宙X射線(xiàn)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(jì)劃?！翱赡茉从凇度w》的影響，我對(duì)天文廣闊研究對(duì)象的向往，賦予了自己更大的研究動(dòng)力?！?/p>
“天文學(xué)的理論突破往往建立在新的觀(guān)測(cè)基礎(chǔ)之上?！崩罴t說(shuō)，觀(guān)測(cè)結(jié)果再次說(shuō)明了我們對(duì)遙遠(yuǎn)星體進(jìn)行偏振測(cè)量的不可替代的作用。通過(guò)極光在軌狀況分析，大家也對(duì)探測(cè)器的升級(jí)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(duì)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(jì)劃證明了第二代X射線(xiàn)偏振探測(cè)技術(shù)的強(qiáng)大能力。”馮驊介紹，“極光計(jì)劃”所采取的技術(shù)，將被應(yīng)用到預(yù)計(jì)2027年發(fā)射的我國(guó)下一代大科學(xué)工程“增強(qiáng)型X射線(xiàn)時(shí)變與偏振天文臺(tái)(eXTP)”上。
（清華新聞網(wǎng)5月20日電）
攝影：李派
圖片來(lái)源：天文系
編輯：趙姝婧 李晨暉
審核：程曦
