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【中国科学报】“慧眼”卫星带来的意外与惊喜

2022-01-21 中国科学报 倪思洁
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硬X射线调制望远镜卫星“慧眼” 中科院高能物理研究所供图
  1月14日,“慧眼”卫星监控室。
  液晶显示屏上,显示着一张看起来极其普通的世界地图,代表“慧眼”的红点正缓缓划过太平洋上空。

  这是“慧眼”卫星绕着地球飞行的第240个星期。

  按照设计,它原本只有4年寿命,7个月前就该退役,可是,由于它的运行状态一切正常,卫星平台备用资源完好如初,于是科学家们召开卫星延寿会议,决定让它再干两年。

  “慧眼”给科学家们带来过很多惊喜,除了超期服役仍运行良好之外,它还一次次发现新的天体现象,这些让它的成就者——“慧眼”卫星科研团队获得了2021年度中国科学院杰出科技成就奖。

  作为“慧眼”的现任首席科学家,张双南在惊喜之余感慨:“我们起步艰难,却赶上了X射线天文学非常兴旺的时代。”

  立项之路 没想到走了18年

  “慧眼”卫星的全名是“硬X射线调制望远镜”,它的出现与中科院院士李惕碚密切相关。

  自上世纪70年代开始,在李惕碚的推动下,中科院高能物理研究所(以下简称高能所)的科研人员就利用高空气球搭载硬X射线探测器,开展高能天体物理观测研究。当时,硬X射线这个波段的天体成像观测尤为困难,也使得探测器造价高昂。上世纪90年代初,李惕碚和自己多年的老搭档吴枚研究员一起,创立了一种直接解调方法,利用已有的不能成像的仪器,通过扫描观测来实现高精度成像。

  1993年,基于这种方法,李惕碚、吴枚等提出了硬X射线调制望远镜的设想,并得到了中国高能天体物理学奠基人之一、中科院院士何泽慧的支持。

  出人意料的是,这个设想从提出到最终立项,竟历经了18年。

  从1993年开始,为了推动立项,何泽慧、李惕碚等不停地奔走呼吁。他们心焦,因为立项进度一拖再拖,科学新发现的空间一窄再窄。

  “等待立项期间,美国和欧洲发射了两颗硬X射线天文卫星,把我们要做的事做了,我们面临的问题是‘我们还能干什么’。”张双南回忆道。

  2001年底,在“慧眼”的立项之路走到第八个年头时,旅居欧美十余年的张双南回到国内,主要的工作之一是协助李惕碚,把“慧眼”项目做起来。

  “我知道任何一个空间项目的立项和建设都是很不容易的,当时我国做这个规模的空间望远镜也不容易。所以虽说遇到了问题,但我们从来没有在任何一个时刻觉得‘慧眼’会做不成。这件事情,只是早晚的问题。”张双南告诉《中国科学报》。

  项目组一等又是十年。

  等待立项期间,科研人员在“慧眼”原先的设计基础上,增加了中能望远镜、低能望远镜两组探测器,使“慧眼”成为全球覆盖能区范围最大的X射线天文望远镜。他们还紧跟国际发展前沿,不断调整科学目标,优化仪器设计,让“慧眼”的科学能力始终具有国际优势。

  时间不会辜负奋斗者的每一滴汗水。2011年3月,好消息终于传来,国家批复硬X射线调制望远镜卫星工程正式立项。

  就在这一年的6月20日,一直支持这一项目的何泽慧与世长辞。

  研制之路 曾感觉已经“黔驴技穷”

  “慧眼”不仅是我国第一颗X射线天文卫星,也是高能所粒子天体物理中心研究人员研制的第一颗卫星。从立项的那一刻起,技术挑战才真正开始。

  卫星立项之际,年仅30岁的刘聪展服从导师李惕碚的安排,从清华大学调入高能所,成为“慧眼”高能X射线望远镜的主任设计师。

  他遇到的第一个难题,来自望远镜最核心的部件——闪烁晶体探测器。这个探测器需要使用一种国际上早已实现商业化的复合晶体,可是当刘聪展与国外厂商谈“进口”事宜时,他得到的答复却是:“你们的应用里有‘space’(空间),这是一个敏感词,我们不能出口给你,即便是做科学研究也不行。”

  进口不行就自己干,接下来的小半年里,刘聪展走访了很多国内相关行业厂商,决定走国产化道路。可是,国产化的艰难程度超出了刘聪展的预期,晶体的能量分辨率一直达不到“慧眼”的设计要求。

  “当时企业做的产品都是民用,对品质的要求没有那么苛刻。厂家之前不用考虑很多环境条件,但在我们这里,每个小问题带来的后果都是致命的。”刘聪展说。

  一次次的波折,让刘聪展一度变得敏感、彷徨、不自信。“感觉已经黔驴技穷了。”刘聪展说。

  经过两年半的挣扎、29个轮次的试制,刘聪展和厂家才最终将国产化的路走通。

  类似的困境,“慧眼”团队遇到过很多。但凭借闯关精神,他们攻破了一个个难题。卫星有效载荷总设计师卢方军曾用两个字来形容“慧眼”的研制过程——艰难。“但是我们坚持认为,第一颗卫星一定要自己做,要通过这颗卫星发展自己的技术,培养自己的人才。”卢方军说。

  最终,“慧眼”的高能X射线望远镜拥有国际最大有效面积的闪烁晶体探测器阵列;中能X射线望远镜使用的硅阵列探测器,实现国产半导体X射线探测器首次且大规模的空间使用;在低能X射线望远镜方面,科研人员自主研制出百纳米厚度的透软X射线遮光膜。

  2017年4月,“慧眼”卫星起运发射场。6月15日11时00分,它从酒泉卫星发射中心苍茫的戈壁滩上起飞,奔向更加苍茫的宇宙。

  为了纪念何泽慧以及她为中国高能天体物理发展作出的贡献,卫星入轨后被命名为“慧眼”。

  运行之路 凭实力迎幸运连连

  运行期间,“慧眼”实现了原定的科学目标,产出了很多重要成果。2019年8月,“慧眼”发表了X射线脉冲星导航的高精度实验成果。2020年8月,“慧眼”首次直接测量到迄今宇宙中的最强磁场等。

  但“慧眼”超出预期的“意外之喜”似乎更令科学家们兴奋。

  “慧眼”地面应用系统科学运行中心负责人贾淑梅记得,第一次“意外之喜”发生在“慧眼”在轨测试期间。2017年8月17日晚上9点多,贾淑梅等人接到了来自张双南的通知,启动机遇观测,将“慧眼”瞄准距离地球13亿光年之外的NGC 4993星系,那里有两颗中子星发生并合,由此产生的引力波刚刚到达了地球,这是人类首次直接探测到的中子星并合引力波事件。

  监控室见证了一个不平静的夜晚。当时全球仅有4台X射线和伽马射线空间望远镜成功监测到爆发天区,中国的“慧眼”便是其中之一。“慧眼”对引力波暴在伽马射线能区的辐射性质给出了最严格的限制,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制作出了重要贡献。

  这是“慧眼”地面运行系统的第一次应急演练。“‘慧眼’有1/4的时间用于机遇观测,地面运行系统的科研人员时刻都准备着响应科学家开展机遇观测的要求。”贾淑梅说。

  2020年4月下旬,一颗名为SGR J1935+2154的磁星进入活跃期,出现频繁的X射线爆发。4月28日一早,贾淑梅又一次接到机遇观测的通知。就在他们将“慧眼”对准磁星后的几个小时,加拿大CHIME实验和美国STARE2实验同时看到了磁星方向发生了一个亮度极高的快速射电暴。巧合的是,“慧眼”也在这次快速射电暴前8秒观测到了一个超亮X射线暴,而8秒正好对应于星际介质对射电信号造成的时延。“慧眼”的观测为快速射电暴来自该磁星提供了直接证据,2021年2月19日,该成果在线发表于《自然—天文学》。

  此外,通过机遇观测,他们还发现了迄今距离黑洞最近的高速喷流和逃离黑洞的高速等离子体等具有国际影响力的重要天体物理现象。

  令他们更加惊喜的是,一度趋于冷门的X射线天文学,在“慧眼”运行期间强势复活,使得“慧眼”出人意料地赢得了来自国际天文和天体物理学界的广泛关注。

  “天上的事不可预测,只有有了这个观测能力,才有可能抓住机遇。”“慧眼”地面应用系统副总设计师宋黎明说。

  一切偶然皆为必然。如果不是科学家们28年的坚守,机遇和惊喜不可能青睐他们。

  一切过往皆为序章。如今“慧眼”超期服役,“慧眼”的继任者——增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)有望在2027年前后发射运行。

  中国X射线天文学研究华灯初上。

  (原载于《中国科学报》 2022-01-21 第1版 要闻)
打印 责任编辑:阎芳

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