2024-11-13
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送上太空140多天后,愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星正在履行它的使命——觀測宇宙中的劇烈爆發(fā)現(xiàn)象,抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的“宇宙焰火”。
愛因斯坦探針衛(wèi)星首席科學(xué)家、中國科學(xué)院國家天文臺研究員袁為民坐在衛(wèi)星科學(xué)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(huán)境,什么事情都會發(fā)生?!彼Q之為“打仗”,“每一天都是戰(zhàn)爭,每一個人都處于戰(zhàn)斗狀態(tài)?!?
4月底,愛因斯坦探針衛(wèi)星任務(wù)發(fā)布了第一批在軌探測圖像——11幅被愛因斯坦探針衛(wèi)星捕獲到的“宇宙焰火”向全球公布。
“我們是從無人區(qū)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射線臺“后隨X射線望遠鏡”的衛(wèi)星得以成功被研制并順利開展在軌運行,這顆衛(wèi)星也在國際上首次實現(xiàn)了大規(guī)?!褒埼r眼”微孔陣列聚焦成像技術(shù)的在軌應(yīng)用。
承載了中國多項自主研發(fā)技術(shù),愛因斯坦探針衛(wèi)星給中國天文界的X射線巡天監(jiān)測領(lǐng)域,帶來了一場革命性的突破。
“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(xiàn)天體和天體的爆發(fā)現(xiàn)象。”在袁為民看來,天空中不僅有持續(xù)發(fā)光的星星,也有各種突如其來的爆發(fā)現(xiàn)象。但它們的生命短暫,轉(zhuǎn)瞬即逝,被天文界稱之為暫現(xiàn)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(xiàn)時,要窺見奧秘,只能編織更大的網(wǎng),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(wèi)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(jiān)測。
具體來說,有三大使命:一是發(fā)現(xiàn)X射線劇變或暫現(xiàn)天體,監(jiān)測天體活動性;二是發(fā)現(xiàn)和探索宇宙中沉寂黑洞的耀發(fā);三是探尋伴隨引力波事件的X射線信號。
為實現(xiàn)使命,探測變化莫測的“宇宙焰火”,科學(xué)家們練就了一雙“看得遠、看得廣”的眼睛。
在愛因斯坦探針衛(wèi)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(wèi)星的任務(wù)是開展暫現(xiàn)源的自動探測。一旦探測到,需要能夠自動觸發(fā)衛(wèi)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(xiàn)在暫現(xiàn)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(wèi)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射線朵“花瓣”,整個愛因斯坦探針衛(wèi)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”。
早在2010年,中國科學(xué)院國家天文臺就開始探索微孔“龍蝦眼”X射線成像技術(shù)研究。團隊考慮到若從國外購買類似設(shè)備,不僅價格昂貴,且存在國外對中國技術(shù)不開放等障礙。自主創(chuàng)新攻克“龍蝦眼”X射線成像技術(shù)和CMOS(一種圖像感光元件——記者注)探測器技術(shù)是必須走通的一條路。
擺在愛因斯坦探針衛(wèi)星團隊面前的第一個難題是,研發(fā)“龍蝦眼”望遠鏡所需的微孔成像器件價格昂貴,數(shù)量和質(zhì)量都難以達到要求。
愛因斯坦探針衛(wèi)星首席科學(xué)家助理、中國科學(xué)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(wèi)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(zhàn)?!?
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(wèi)星需消耗432個微孔成像器,費用高達上億元。
獨立自主研發(fā)是一條必須走的路。歷時13年,攻關(guān)的細節(jié)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(shù),通過了測試,實現(xiàn)了產(chǎn)品的產(chǎn)量化。
但自主研發(fā)困難遠不止于此。另一個難點在于要為愛因斯坦探針衛(wèi)星制作“視網(wǎng)膜”。愛因斯坦探針衛(wèi)星“寬視場X射線望遠鏡”儀器科學(xué)家、中國科學(xué)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(dǎo)致氣體泄漏,存在安全隱患?!苯?jīng)過實驗,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(yīng)用于空間X射線天文探測,創(chuàng)造了國際先例,完成了X射線天文探測技術(shù)突破。
中國科學(xué)院高能物理研究所研究員陳勇是愛因斯坦探針衛(wèi)星載荷“后隨X射線望遠鏡”的負責人。在他看來,數(shù)據(jù)處理是獲得高質(zhì)量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的關(guān)鍵一步,要把對數(shù)據(jù)的深層處理的核心技術(shù)掌握在自己手里。
1981年出生的科學(xué)家張臣,曾是愛因斯坦探針衛(wèi)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(shù)的人員只有張臣一人,如果他出現(xiàn)了問題,那事情就無法繼續(xù)下去了。
這位獨一無二的科學(xué)家有一項特殊任務(wù):涂膠填縫。此前,張臣曾帶領(lǐng)幾位團隊成員經(jīng)過多年的調(diào)試組裝,搭建了一整套“寬視場X射線望遠鏡”龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)的自動化安裝設(shè)備,但在自動化設(shè)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(fù),看似沒有任何技術(shù)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(jié)的偏差,都可能導(dǎo)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(jīng)有不知情的財務(wù)內(nèi)審專家向國家天文臺反饋意見,稱愛因斯坦探針衛(wèi)星團隊在短時間內(nèi)購買了大量價格昂貴、保質(zhì)期極短、用途極窄的膠水,質(zhì)疑為何大量使用該膠水,是否會造成資金浪費。
中國科學(xué)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(xué)家張臣正在用這一款膠水給望遠鏡的鏡片填縫?!?
正是有了一批年輕人,從2011年起,愛因斯坦探針衛(wèi)星團隊開始探索中國空間站X射線全天監(jiān)視器XASM的研發(fā);到2013年,愛因斯坦探針衛(wèi)星建議書形成;再到2023年12月,愛因斯坦探針衛(wèi)星做好準備,等待“宇宙之行”。
“13年磨一劍,13年磨一心。”從最初只有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?!?
愛因斯坦探針衛(wèi)星上天之前,團隊成員、中國科學(xué)院上海技術(shù)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。
臨發(fā)射前,發(fā)射場里下起了雨,這對衛(wèi)星上天來說增加了挑戰(zhàn)?!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(wèi)星發(fā)射前才能去掉。要與衛(wèi)星“告別”, 在發(fā)射前幾個小時,兩個年輕人站在七層樓高的塔架里,從衛(wèi)星整流罩的一個小窗口,通過“釣魚”的方式取下了“寬視場X射線個保護蓋。“這不僅需要年輕人膽大心細,還需要有足夠的勇氣和擔當。”袁為民說。
1月9日15時03分,愛因斯坦探針衛(wèi)星在我國西昌成功發(fā)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(xué)院國家天文臺助理研究員、愛因斯坦探針衛(wèi)星科學(xué)中心的90后孫惠在發(fā)射現(xiàn)場流下了眼淚。駐守在西安衛(wèi)星測控中心,看到衛(wèi)星進入軌道后,國家天文臺博士后、愛因斯坦探針衛(wèi)星科學(xué)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(fā)射10天后,也就是1月19日,愛因斯坦探針衛(wèi)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(wèi)星公布了一系列的“成績單”:自2024年1月發(fā)射入軌以來,獲取了多組宇宙天體的X射線科學(xué)觀測數(shù)據(jù),已探測到新的暫現(xiàn)源17例、恒星耀發(fā)168例,并發(fā)布全球電報10余條,引導(dǎo)國際上包括最大的光學(xué)(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(xué)院國家天文臺研究員、愛因斯坦探針衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師劉元和同事還要持續(xù)分析每天的觀測數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)的整合和轉(zhuǎn)譯。
下一步,愛因斯坦探針衛(wèi)星將繼續(xù)按照既定計劃開展并完成在軌測試,捕捉宇宙中轉(zhuǎn)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(zhàn)?!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(xué)的未來和希望?!?