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“宇宙焰火”的捕手來了 科研團隊堅持13年從“無人區”穿越

發稿時間:2024-06-03 06:26:00 來源:中國青年報 中國青年網

  愛因斯坦探針(EP)衛星示意圖。本文圖片均由中國科學院國家天文臺提供

愛因斯坦探針(EP)衛星團隊在發射場的合照。

愛因斯坦探針(EP)衛星團隊在發射場的合照。

  “寬視場X射線望遠鏡”探測到第1例被報告的X射線暫現源。

  送上太空140多天后,愛因斯坦探針(EP)衛星正在履行它的使命——觀測宇宙中的劇烈爆發現象,抓住轉瞬即逝的“宇宙焰火”。

  1月9日,中國的愛因斯坦探針衛星成功發射并引發關注。

  愛因斯坦探針衛星首席科學家、中國科學院國家天文臺研究員袁為民坐在衛星科學運行室里,面色緊張,“哪怕在地面做了大量測試,但太空是一個非常嚴酷的環境,什么事情都會發生!彼Q之為“打仗”,“每一天都是戰爭,每一個人都處于戰斗狀態!

  4月底,愛因斯坦探針衛星任務發布了第一批在軌探測圖像——11幅被愛因斯坦探針衛星捕獲到的“宇宙焰火”向全球公布。

  “我們是從無人區里面穿過來的!痹瑸槊裾f,項目團隊的平均年齡是35歲,正是依靠這支青年隊伍,這枚搭載了1臺“寬視場X射線望遠鏡”和1臺“后隨X射線望遠鏡”的衛星得以成功被研制并順利開展在軌運行,這顆衛星也在國際上首次實現了大規!褒埼r眼”微孔陣列聚焦成像技術的在軌應用。

  承載了中國多項自主研發技術,愛因斯坦探針衛星給中國天文界的X射線巡天監測領域,帶來了一場革命性的突破。

  “去人類看不到的地方”

  “當我們仰望星空的時候,星空總是給人一種寧靜深邃的感覺。但這也是一種錯覺。事實上,天體是在不斷變化的。最為極端的是暫現天體和天體的爆發現象!痹谠瑸槊窨磥,天空中不僅有持續發光的星星,也有各種突如其來的爆發現象。但它們的生命短暫,轉瞬即逝,被天文界稱之為暫現源,也被賦予了“宇宙焰火”的美稱。

  當人類無法獲知“宇宙焰火”將在什么時間、什么方位出現時,要窺見奧秘,只能編織更大的網,讓“雙眼”的視野更加開闊,以此來捕捉“宇宙焰火”的美麗。

  愛因斯坦探針衛星的使命是,要以國際上更高的探測靈敏度和空間分辨率,在X射線波段開展快速巡天監測。

  具體來說,有三大使命:一是發現X射線劇變或暫現天體,監測天體活動性;二是發現和探索宇宙中沉寂黑洞的耀發;三是探尋伴隨引力波事件的X射線信號。

  為實現使命,探測變化莫測的“宇宙焰火”,科學家們練就了一雙“看得遠、看得廣”的眼睛。

  在愛因斯坦探針衛星上,“寬視場X射線望遠鏡”的視場可以達到3600平方度,還具備高靈敏度、高空間分辨率的特點,而它的另一只“眼睛”——“后隨X射線望遠鏡”有著更大的光子收集有效面積,從而提高定位精度和空間分辨率。

  袁為民解釋,愛因斯坦探針衛星的任務是開展暫現源的自動探測。一旦探測到,需要能夠自動觸發衛星快速機動,迅速將“后隨X射線望遠鏡”指向目標。他說:“我們要實現在暫現源探測到的幾分鐘之后,開展‘后隨X射線望遠鏡’觀測,還要完成警報信息的快速下傳!

  袁為民將愛因斯坦探針衛星的形狀比作一朵蓮花,“后隨X射線望遠鏡”是 “花蕊”,“寬視場X射線望遠鏡”是12朵“花瓣”,整個愛因斯坦探針衛星則是一朵向宇宙綻放的“花朵”,靜靜等待沉寂黑暗的宇宙里那一抹“焰火”。

  “我們要去人類看不到的地方!痹瑸槊裾f。

  走了13年的技術創新之路

  這一條不能回頭的星辰之路,他們只能從無人區穿越而過。

  早在2010年,中國科學院國家天文臺就開始探索微孔“龍蝦眼”X射線成像技術研究。團隊考慮到若從國外購買類似設備,不僅價格昂貴,且存在國外對中國技術不開放等障礙。自主創新攻克“龍蝦眼”X射線成像技術和CMOS(一種圖像感光元件——記者注)探測器技術是必須走通的一條路。

  擺在愛因斯坦探針衛星團隊面前的第一個難題是,研發“龍蝦眼”望遠鏡所需的微孔成像器件價格昂貴,數量和質量都難以達到要求。

  愛因斯坦探針衛星首席科學家助理、中國科學院國家天文臺研究員、“寬視場X射線望遠鏡”研制團隊負責人張臣介紹:愛因斯坦探針衛星上有12片“花瓣”。每一片“花瓣”上有36個“龍蝦眼”微孔成像器。每一個微孔成像器厚度只有兩毫米,卻有著200萬個微孔,每一個微孔都需要指向同一個球形。在微孔成像器的表面,鍍上能反射X射線的金屬。此外,微孔壁的光滑和光潔度都要求極高!斑@對我們的研制工作提出了極大的挑戰!

  張臣算了一筆賬。要從國外進口這一批器件,一個微孔成像器需要花費25萬元人民幣,相當于一輛小轎車的價格。要打造愛因斯坦探針衛星需消耗432個微孔成像器,費用高達上億元。

  獨立自主研發是一條必須走的路。歷時13年,攻關的細節無法一一對外言說,但失敗的苦難都在成功的一刻被消解。這一支年輕團隊集中力量攻克了“龍蝦眼”X射線成像技術,通過了測試,實現了產品的產量化。

  但自主研發困難遠不止于此。另一個難點在于要為愛因斯坦探針衛星制作“視網膜”。愛因斯坦探針衛星“寬視場X射線望遠鏡”儀器科學家、中國科學院國家天文臺研究員凌志興說:“起初,團隊嘗試使用氣體探測器,但造價昂貴,太空中不乏塵埃,會撞擊導致氣體泄漏,存在安全隱患!苯涍^實驗,團隊采用了CMOS作為空間X射線探測器,這也是首次將大陣列CMOS傳感器應用于空間X射線天文探測,創造了國際先例,完成了X射線天文探測技術突破。

  中國科學院高能物理研究所研究員陳勇是愛因斯坦探針衛星載荷“后隨X射線望遠鏡”的負責人。在他看來,數據處理是獲得高質量衛星數據的關鍵一步,要把對數據的深層處理的核心技術掌握在自己手里。

  “我們一定要自主研制,不能受制于他人!标愑抡f。

  涂膠填縫的科學家

  一件偉大的事情源于無數個不起眼的細節動作。

  1981年出生的科學家張臣,曾是愛因斯坦探針衛星立項的“風險因子”。在一場立項評估時,評審專家提出了一個嚴肅的問題,“你們有一個極大的風險就是人員風險!币驗槟苷莆漳稠椇诵募夹g的人員只有張臣一人,如果他出現了問題,那事情就無法繼續下去了。

  這位獨一無二的科學家有一項特殊任務:涂膠填縫。此前,張臣曾帶領幾位團隊成員經過多年的調試組裝,搭建了一整套“寬視場X射線望遠鏡”龍蝦眼光學系統的自動化安裝設備,但在自動化設備給“寬視場X射線望遠鏡”安裝完鏡片后,在鏡片和桁架之間會存在一條非常細小的縫隙,這是機器無法進行填補的,只能用手工的笨辦法去完成。因此,在很長一段時間里,張臣給自己安排的工作是:涂膠填縫。

  這個工作枯燥重復,看似沒有任何技術含量,卻是絲毫不能出差錯的細致活兒。對一個空間項目來說,任何一處細節的偏差,都可能導致整個項目的失敗。張臣常一人深夜鉆在實驗室,埋頭給鏡片涂膠水。

  曾經有不知情的財務內審專家向國家天文臺反饋意見,稱愛因斯坦探針衛星團隊在短時間內購買了大量價格昂貴、保質期極短、用途極窄的膠水,質疑為何大量使用該膠水,是否會造成資金浪費。

  中國科學院國家天文臺紀委書記歐云了解情況后,告知對方:“是我們的科學家張臣正在用這一款膠水給望遠鏡的鏡片填縫!

  袁為民多次感慨:“愛因斯坦探針項目可以沒有我,但不能沒有這些年輕人!

  正是有了一批年輕人,從2011年起,愛因斯坦探針衛星團隊開始探索中國空間站X射線全天監視器XASM的研發;到2013年,愛因斯坦探針衛星建議書形成;再到2023年12月,愛因斯坦探針衛星做好準備,等待“宇宙之行”。

  “13年磨一劍,13年磨一心!睆淖畛踔挥3個人的“草臺班子”,到一個10多人的小團隊,再到上百人的隊伍,袁為民慨嘆:“我們的夢想變成了一群人的夢想,變成了越來越多人的夢想!

  睜眼看宇宙的“首光”

  愛因斯坦探針衛星上天之前,團隊成員、中國科學院上海技術物理研究所的90后馬嘯浩、陳異凡,需要為“寬視場X射線望遠鏡”取掉保護蓋,為翱翔太空做最后的準備工作。

  跟13年的科研攻關相比,這一項任務或許太小了。實際上卻步步驚險。

  臨發射前,發射場里下起了雨,這對衛星上天來說增加了挑戰!皩捯晥鯴射線望遠鏡”對潔凈度的要求很高,因此其保護蓋需要等衛星發射前才能去掉。要與衛星“告別”, 在發射前幾個小時,兩個年輕人站在七層樓高的塔架里,從衛星整流罩的一個小窗口,通過“釣魚”的方式取下了“寬視場X射線望遠鏡”的12個保護蓋!斑@不僅需要年輕人膽大心細,還需要有足夠的勇氣和擔當!痹瑸槊裾f。

  1月9日15時03分,愛因斯坦探針衛星在我國西昌成功發射。青云之上,火箭的余煙在天空中留下了一個漂亮的“中國龍”圖案。中國科學院國家天文臺助理研究員、愛因斯坦探針衛星科學中心的90后孫惠在發射現場流下了眼淚。駐守在西安衛星測控中心,看到衛星進入軌道后,國家天文臺博士后、愛因斯坦探針衛星科學中心的90后劉禾陽深深松了一口氣,懸在心里的石頭落了地。

  發射10天后,也就是1月19日,愛因斯坦探針衛星逐漸“睜開了雙眼”,看到了第一縷光。

  4月27日,愛因斯坦探針衛星公布了一系列的“成績單”:自2024年1月發射入軌以來,獲取了多組宇宙天體的X射線科學觀測數據,已探測到新的暫現源17例、恒星耀發168例,并發布全球電報10余條,引導國際上包括最大的光學(Keck) 和射電(VLA)、空間X 射線(Chandra)等多個望遠鏡開展了后隨觀測。

  但腳步還不能停下,中國科學院國家天文臺研究員、愛因斯坦探針衛星科學應用系統總師劉元和同事還要持續分析每天的觀測數據,完成數據的整合和轉譯。

  下一步,愛因斯坦探針衛星將繼續按照既定計劃開展并完成在軌測試,捕捉宇宙中轉瞬即逝的“焰火”,為高能時域天文觀測和研究作出重要貢獻。

  “我們選擇那條從來沒有人走過的路,希望能看到人類從來沒有看到的風景。因此這注定充滿了艱辛和挑戰!痹瑸槊裾f,“所幸,我們有一批充滿理想的年輕人,他們是中國空間科學的未來和希望!

  中青報·中青網記者 楊潔

原標題:“宇宙焰火”的捕手來了
責任編輯:白珂嘉
 
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