#“慧眼”衛星帶來的意外與驚喜# 1月14日,“慧眼”衛星監控室。液晶顯示屏上,顯示著一張看起來極其普通的世界地圖,代表“慧眼”的紅點正緩緩劃過太平洋上空。這是“慧眼”衛星繞著地球飛行的第240個星期。

按照設計,它原本只有4年壽命,7個月前就該退役,可是,由於它的運行狀態一切正常,衛星平台備用資源完好如初,於是科學家們召開衛星延壽會議,決定讓它再幹兩年。

“慧眼”給科學家們帶來過很多驚喜,除了超期服役仍運行良好之外,它還一次次發現新的天體現象,這些讓它的成就者——“慧眼”衛星科研團隊獲得了2021年度中國科學院杰出科技成就獎。

作為“慧眼”的現任首席科學家,張雙南在驚喜之余感慨:“我們起步艱難,卻趕上了X射線天文學非常興旺的時代。”

立項之路 沒想到走了18年

“慧眼”衛星的全名是“硬X射線調制望遠鏡”,它的出現與中科院院士李惕碚密切相關。

自上世紀70年代開始,在李惕碚的推動下,中科院高能物理研究所(以下簡稱高能所)的科研人員就利用高空氣球搭載硬X射線探測器,開展高能天體物理觀測研究。當時,硬X射線這個波段的天體成像觀測尤為困難,也使得探測器造價高昂。上世紀90年代初,李惕碚和自己多年的老搭檔吳枚研究員一起,創立了一種直接解調方法,利用已有的不能成像的儀器,通過掃描觀測來實現高精度成像。

1993年,基於這種方法,李惕碚、吳枚等提出了硬X射線調制望遠鏡的設想,並得到了中國高能天體物理學奠基人之一、中科院院士何澤慧的支持。

出人意料的是,這個設想從提出到最終立項,竟曆經了18年。

從1993年開始,為了推動立項,何澤慧、李惕碚等不停地奔走呼籲。他們心焦,因為立項進度一拖再拖,科學新發現的空間一窄再窄。

“等待立項期間,美國和歐洲發射了兩顆硬X射線天文衛星,把我們要做的事做了,我們面臨的問題是‘我們還能幹什麼’。”張雙南回憶道。

2001年底,在“慧眼”的立項之路走到第八個年頭時,旅居歐美十余年的張雙南回到國內,主要的工作之一是協助李惕碚,把“慧眼”項目做起來。

“我知道任何一個空間項目的立項和建設都是很不容易的,當時我國做這個規模的空間望遠鏡也不容易。所以雖說遇到了問題,但我們從來沒有在任何一個時刻覺得‘慧眼’會做不成。這件事情,只是早晚的問題。”張雙南告訴《中國科學報》。

項目組一等又是十年。

等待立項期間,科研人員在“慧眼”原先的設計基礎上,增加了中能望遠鏡、低能望遠鏡兩組探測器,使“慧眼”成為全球覆蓋能區范圍最大的X射線天文望遠鏡。他們還緊跟國際發展前沿,不斷調整科學目標,優化儀器設計,讓“慧眼”的科學能力始終具有國際優勢。

時間不會辜負奮鬥者的每一滴汗水。2011年3月,好消息終於傳來,國家批複硬X射線調制望遠鏡衛星工程正式立項。

就在這一年的6月20日,一直支持這一項目的何澤慧與世長辭。

研制之路 曾感覺已經“黔驢技窮”

“慧眼”不僅是我國第一顆X射線天文衛星,也是高能所粒子天體物理中心研究人員研制的第一顆衛星。從立項的那一刻起,技術挑戰才真正開始。

衛星立項之際,年僅30歲的劉聰展服從導師李惕碚的安排,從清華大學調入高能所,成為“慧眼”高能X射線望遠鏡的主任設計師。

他遇到的第一個難題,來自望遠鏡最核心的部件——閃爍晶體探測器。這個探測器需要使用一種國際上早已實現商業化的複合晶體,可是當劉聰展與國外廠商談“進口”事宜時,他得到的答複卻是:“你們的應用里有‘space’(空間),這是一個敏感詞,我們不能出口給你,即便是做科學研究也不行。”

進口不行就自己幹,接下來的小半年里,劉聰展走訪了很多國內相關行業廠商,決定走國產化道路。可是,國產化的艱難程度超出了劉聰展的預期,晶體的能量解析度一直達不到“慧眼”的設計要求。

“當時企業做的產品都是民用,對品質的要求沒有那麼苛刻。廠家之前不用考慮很多環境條件,但在我們這里,每個小問題帶來的後果都是致命的。”劉聰展說。

一次次的波折,讓劉聰展一度變得敏感、彷徨、不自信。“感覺已經黔驢技窮了。”劉聰展說。

經過兩年半的掙扎、29個輪次的試制,劉聰展和廠家才最終將國產化的路走通。

類似的困境,“慧眼”團隊遇到過很多。但憑借闖關精神,他們攻破了一個個難題。衛星有效載荷總設計師盧方軍曾用兩個字來形容“慧眼”的研制過程——艱難。“但是我們堅持認為,第一顆衛星一定要自己做,要通過這顆衛星發展自己的技術,培養自己的人才。”盧方軍說。

最終,“慧眼”的高能X射線望遠鏡擁有國際最大有效面積的閃爍晶體探測器陣列;中能X射線望遠鏡使用的矽陣列探測器,實現國產半導體X射線探測器首次且大規模的空間使用;在低能X射線望遠鏡方面,科研人員自主研制出百納米厚度的透軟X射線遮光膜。

2017年4月,“慧眼”衛星起運發射場。6月15日11時00分,它從酒泉衛星發射中心蒼茫的戈壁灘上起飛,奔向更加蒼茫的宇宙。

為了紀念何澤慧以及她為中國高能天體物理發展作出的貢獻,衛星入軌後被命名為“慧眼”。

運行之路 憑實力迎幸運連連

運行期間,“慧眼”實現了原定的科學目標,產出了很多重要成果。2019年8月,“慧眼”發表了X射線脈衝星導航的高精度實驗成果。2020年8月,“慧眼”首次直接測量到迄今宇宙中的最強磁場等。

但“慧眼”超出預期的“意外之喜”似乎更令科學家們興奮。

“慧眼”地面應用系統科學運行中心負責人賈淑梅記得,第一次“意外之喜”發生在“慧眼”在軌測試期間。2017年8月17日晚上9點多,賈淑梅等人接到了來自張雙南的通知,啟動機遇觀測,將“慧眼”瞄准距離地球13億光年之外的NGC 4993星系,那里有兩顆中子星發生並合,由此產生的引力波剛剛到達了地球,這是人類首次直接探測到的中子星並合引力波事件。

監控室見證了一個不平靜的夜晚。當時全球僅有4台X射線和伽馬射線空間望遠鏡成功監測到爆發天區,中國的“慧眼”便是其中之一。“慧眼”對引力波暴在伽馬射線能區的輻射性質給出了最嚴格的限制,為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機製作出了重要貢獻。

這是“慧眼”地面運行系統的第一次應急演練。“‘慧眼’有1/4的時間用於機遇觀測,地面運行系統的科研人員時刻都準備著響應科學家開展機遇觀測的要求。”賈淑梅說。

2020年4月下旬,一顆名為SGR J1935+2154的磁星進入活躍期,出現頻繁的X射線爆發。4月28日一早,賈淑梅又一次接到機遇觀測的通知。就在他們將“慧眼”對准磁星後的幾個小時,加拿大CHIME實驗和美國STARE2實驗同時看到了磁星方向發生了一個亮度極高的快速射電暴。巧合的是,“慧眼”也在這次快速射電暴前8秒觀測到了一個超亮X射線暴,而8秒正好對應於星際介質對射電信號造成的時延。“慧眼”的觀測為快速射電暴來自該磁星提供了直接證據,2021年2月19日,該成果在線發表於《自然—天文學》。

此外,通過機遇觀測,他們還發現了迄今距離黑洞最近的高速噴流和逃離黑洞的高速等離子體等具有國際影響力的重要天體物理現象。

令他們更加驚喜的是,一度趨於冷門的X射線天文學,在“慧眼”運行期間強勢復活,使得“慧眼”出人意料地贏得了來自國際天文和天體物理學界的廣汎關注。

“天上的事不可預測,只有有了這個觀測能力,才有可能抓住機遇。”“慧眼”地面應用系統副總設計師宋黎明說。

一切偶然皆為必然。如果不是科學家們28年的堅守,機遇和驚喜不可能青睞他們。

一切過往皆為序章。如今“慧眼”超期服役,“慧眼”的繼任者——增強型X射線時變與偏振空間天文台(eXTP)有望在2027年前後發射運行。

中國X射線天文學研究華燈初上。http://t.cn/A6JHqBxx

更多學習動態

全站最新消息

d