“天关”背后的科学故事 | 预见未来：“天关”卫星“前传”
学术
2024-11-12 20:02
北京
文 ｜ 《中国科学报》 记者 甘晓
近日，“天关”卫星（爱因斯坦探针卫星）验收交付仪式暨首批科学成果发布会现场，由中国自主研制设备观测到的首张全天X射线天图徐徐展开，“天关”卫星首席科学家、中国科学院国家天文台研究员袁为民的眼眶湿润了。大约10年前，在“天关”卫星尚未正式立项时，他曾怀着同样澎湃的心情面对当时的技术条件下获得的卫星计算机模拟X射线天图。“当时，我的内心涌起强烈的冲动，一定要把这颗卫星研制出来，去捕捉真实的暂现天体爆发瞬间。”袁为民告诉《中国科学报》。令袁为民和团队感到欣慰的是，“天关”卫星2024年1月发射后的在轨测试期间，已经捕捉到多簇宇宙“焰火”。取得不俗成绩的背后是中国科学家的远见卓识以及数十年如一日的坚持。自2012年开始酝酿“天关”卫星项目以来，科学家一步一个脚印，稳步向前推进，完成了科学目标和需求的深化论证与定量模拟、关键技术攻关和原理样机研制、有效载荷配置及可行性分析，最终于2017年12月正式立项。在立项前多年的时光里，中国科学家早已以前瞻性眼光，为“天关”卫星书写了一部宏伟的“前传”。这部“前传”可以追溯到2009年。中国科学院高能物理研究所研究员张双南前往英国莱斯特大学访问，与该校教授乔治·弗瑞泽讨论未来X射线天文方面的合作。“他非常热情地向我介绍了‘龙虾眼’望远镜的原理和未来发展前景。”张双南回忆，“为了说服我，他让我在他办公室动手计算了‘龙虾眼’望远镜的性能。我的计算结果让我立刻认识到这种新型望远镜技术的发展前景。”作为X射线天文学中最先进、难度最大的技术之一，“龙虾眼”望远镜的概念始于20世纪70年代。美国科学家罗杰·安吉尔受到龙虾眼睛特殊结构的启发，设计出由许多微小管道组成阵列的类似龙虾复眼的结构。这一结构能让X射线发生多次反射而最终汇聚成像，并实现广阔的视角。当时，世界范围内，这项技术都还处于实验室阶段，始终没有在太空中得到应用。结束访问后不久，张双南得到中国科学院国家天文台的支持，在国家天文台创立了X射线成像实验室并担任首席研究员，开始组建团队开展“龙虾眼”微孔X射线成像技术研发。从此，他一直与“龙虾眼”相伴相行，卫星项目正式立项后还担任了项目顾问。不久后，张双南邀请在清华大学结束博士后工作的张臣和凌志兴加入。“起初，我们只有3个人，条件非常艰苦，挤在一间狭小的办公室里。”张双南说。在缺乏资金的情况下，他们通过各种渠道寻找资金，逐步完善实验装备，开始了初步研究。张臣负责“龙虾眼”微孔成像技术研究，而凌志兴主攻与之相匹配的X射线探测器。这些前期探索为后来“天关”卫星项目的提出和“龙虾眼”望远镜的研发奠定了坚实的团队和技术基础。2011年初，中国载人航天工程面向全国征集空间站的科学载荷项目，张双南提出了“空间站软X射线全天监视器（ASM）”的构想。刚刚加入国家天文台的袁为民接到了这个任务——负责ASM项目的论证。最初，他拿到了一页纸，上面有一幅图。他一眼认出这是莱斯特大学曾经参与欧洲空间局的一个卫星建议项目。时光再倒退10年。2001年，当时正在日本参与研制国际空间站“X射线全天监视器（MAXI）”的袁为民，在与乔治·弗瑞泽的交流中第一次听说了“龙虾眼”技术。袁为民很快意识到，这是探测当时鲜为人知的“黑洞潮汐瓦解恒星”事件最有效的技术。两年后，他应邀参加了乔治·弗瑞泽在莱斯特大学召开的国际空间站“龙虾眼监视器（Lobster-ISS）”的科学讨论会，作了关于“潮汐瓦解恒星”事件探测可行性的报告并首次估算了探测率。他最终将这一建议写入Lobster-ISS的科学目标。“没想到，10年后，我能与‘龙虾眼’结缘，有幸在自己的国家参与这一新技术的研发和应用。”他表示，“这要感谢张双南教授、张臣博士和凌志兴博士！”说干就干！袁为民和张臣、凌志兴分工明确，分别负责科学论证、技术、设计。从2011年初开始，他们投入全部时间和精力，从科学目标论证入手，逐步完成仪器设计、性能模拟计算等。历时一年多，2012年，他们提交了一份5万多字、长达70多页的报告——“X射线-紫外全天监视器”建议书，袁为民为项目负责人。当然，他们更没想到的是，从这份报告开始的又一个10年里，他们亲手打造出带着“龙虾眼”的卫星。此后，空间站科学应用项目进展缓慢。团队似乎来到一个十字路口：是继续坚持，还是放弃。几个人心里很清楚，他们面对的将是一场“豪赌”。如果输了，他们会浪费学术生命中最宝贵的一段时间。“对于一名天文学家而言，将望远镜送入太空的机会可能一生只有一次。如果放弃，我们可能会永远失去这个机会。”袁为民表示，“更重要的是，也将失去中国在X射线时域天文学上领先的机会。”他们欣然接受“赌局”，决定咬牙继续坚持，在这一领域深耕细作，争取实现技术上的突破。转折点在2012年12月7日到来。那天，袁为民得知，中国科学院正在征集空间科学先导专项二期中小型卫星背景型号项目。思考了一晚上，第二天，他给张双南和张臣发了一封电子邮件，提出研制一颗卫星的想法。邮件中写道：“我们可以在现有为空间站设计的监视器的基础上，增加一个小视场望远镜，这会为暂现源的物理研究带来巨大帮助。当然，这样做会伴随一定风险。即使不增加，也会有开创性的成果。”很快，他收到张双南的回复：“这是一个不错的提议。”从此，他们的目标从一台空间站搭载的载荷“升级”为一颗卫星。很快，袁为民邀请张双南、美国内华达大学拉斯维加斯分校教授张冰、国家天文台研究员魏建彦和张臣等国内外几位专家，召开了一次讨论会。头脑风暴之后，他们确定了卫星的科学目标，包括暂现天体巡天、黑洞吞噬恒星、引力波电磁对应体。当时设定的这些目标一直延续至今。“科学目标都是爱因斯坦相对论的预言，这颗卫星就叫‘爱因斯坦探针’吧！”张双南的提议得到了大家的赞成。“探针”一词源于英文单词“probe”，在天文学中通常指的是一种专门用来探测特定宇宙天体现象的小型设备。10多年后的今天，为充分体现中国在暂现天体观测记录方面的深厚渊源和对世界天文学的卓越贡献，卫星定名为“天关”。2013年1月，在袁为民的带领下，科研团队如期提交申请书。经过几轮竞争性遴选和波折，2013年6月，他们最终以先进的科学目标、创新的技术和扎实的论证，获得空间科学先导专项二期背景型号的入场券。袁为民担任卫星首席科学家。2014年1月至2016年中，项目处于背景型号研究阶段，开展科学目标论证、关键技术攻关和载荷初步设计。科学目标论证至关重要。“空间卫星研发周期很长，这决定了我们不仅要证明这颗卫星在当前是先进的，更要确保它在未来多年内仍然领先。”为此，袁为民组建起一个由60多位专家组成的科学工作组，并邀请张双南、时任南京大学教授戴子高等几位知名学者作为顾问。同样重要的是，设计什么样的载荷仪器才能实现这些科学目标。这是一个不断迭代的过程，科学团队向仪器团队提出科学需求，再根据仪器团队的设计反馈评估目标是否能实现。那么，如何突破核心关键技术？如何在技术边界和经费限制的约束下，仍然确保科学研究能够达到国际一流？袁为民、张臣和团队遇到前所未有的挑战。2014年5月，袁为民等学者与“国际空间科学研究所-北京分部”联合举办了一场国际论坛。论坛上，“天关”卫星的科学前景、设计和技术进展获得了该领域国际顶尖科学家的高度认可，卫星首次被推向国际舞台。经过两年半艰苦卓绝的努力，团队完成了背景型号研制。接下来又是一年半艰难的立项论证阶段。在这一关键时期，项目得到了国内外同行大力支持，特别是时任中国科学院国家空间科学中心主任吴季、中国科学院院士陈建生和李惕碚，以及莱斯特大学教授奥布莱恩和威林加尔、美国国家航空航天局“雨燕”卫星负责人尼尔·盖伦斯、日本MAXI设备负责人松冈、中法卫星空间可变物体监测卫星（SVOM）法方负责人科尔迪埃等。此外，SVOM法方还承诺可以利用其“甚高频网络”（VHF）快速下传“天关”卫星发现的暂现天体信息。在袁为民看来，正是这些“前传”背后的基础、努力和推动，才使得项目能够在2017年12月正式立项，今天的“天关”卫星才得以在太空翱翔。
《中国科学报》 (2024-11-11 第1版 要闻)![]()
