作者:朱奕奕 来源:澎湃新闻 发布时间:2024/4/27 18:49:23
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爱因斯坦探针卫星首批观测成果发布,打造“宇宙焰火捕手”

 

由中国科学院牵头实施的爱因斯坦探针(EP)卫星任务发布了第一批在轨探测图像。EP卫星是中国科学院空间科学二期先导专项立项并实施的空间科学卫星系列任务之一,由中方主导,欧洲航天局(ESA)、德国马普地外物理研究所(MPE)和法国航天局(CNES)以国际合作形式参与卫星研制。

爱因斯坦探针卫星示意图  

EP卫星自2024年卫星1月9日发射以来,在轨已经109天,星上搭载了国际首台宽视场X射线望远镜(WXT)和1台后随X射线望远镜(FXT)。

其中,WXT是目前国际上探测灵敏度和空间分辨率最高的大视场X射线望远镜,对发现宇宙中的新天体、新现象和新规律具有里程碑式的意义。WXT由中国科学院上海技术物理研究所与中国科学院国家天文台联合研制,其微孔光学(MPO)关键元件由北方夜视提供。

宽视场X射线望远镜(WXT)指向银河系中心的观测图像(X射线数据版权EP科学中心 图)

WXT载荷负责人、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员孙胜利表示,“仅载荷研制工程阶段,就历时7年,团队从概念验证开始,将一个个设想逐步变为现实,将不可能变为可能,现在这台望远镜终于‘张开了眼睛’,整个过程让人非常激动和振奋。”

宽视场X射线望远镜是时域天文学界“团宠”

“在黑洞潮汐瓦解、恒星爆炸、伽玛暴等一系列天文事件中,海量的能量瞬间释放,产生了大量X射线光子横扫宇宙,这使得X射线成为观测这些天文事件最好的窗口。”

EP卫星首席科学家助理、国家天文台张臣研究员介绍到,“由于地球大气对X射线的吸收,直到许多X射线天文卫星被发射进入太空,天文学家才得到重要的观测成果。”

既然太空中已经有为数不少的X射线望远镜,为什么还需要研制WXT?它又有什么与众不同呢?

孙胜利拿显微镜成像进行了类比,“一般的电子显微镜能够看到分子的结构,但它看不清分子的结构是如何变化的。以往的空间望远镜,可以研究天体的状态,却同样无法看清其动态过程。要了解宇宙的演化过程,就需要更深入的观测能力、更广的观测范围,这正是高能时域天文学关注的主要内容。”

天文观测中,全天球约为40000平方度,在如此巨大的视场下,想要捕捉并观察随机出现、转瞬即逝的“暂现源”,难度可见一斑。因此,只有设计出针对随机性事件观察的设备,才有可能大规模发现和研究这些突发的天文事件。

宽视场X射线望远镜(WXT)首次报告的暂现源(X射线数据版权EP科学中心 图)

EP卫星WXT首次大规模采用微孔龙虾眼X射线成像技术,由12个宽视场X射线光学镜头模块构成,视场约3850平方度,相当于1/11个天区,填补了国际上在软X射线波段大视场全天监测设备的空白。

2010年,国家天文台开始探索微孔龙虾眼X射线成像技术研究,最初打算购买国外的类似设备,但价格极其昂贵,且对我国存在技术和经济方面的封锁,举步维艰。

十年磨一剑打造国际首台高精度X射线“广角摄像机”

自主研制“龙虾眼”相机究竟难在哪儿?WXT 载荷主任设计师、上海技物所副研究员孙小进介绍,“典型的一片龙虾眼型微孔光学元件(MPO)是由玻璃材质制作而成的球面薄片,上面整齐排列着100多万个比头发丝还细的正方形通道,边长约40微米,壁厚只有8 微米,内壁光洁度要达到1纳米以下。除了关键元部件的挑战,没有X射线光学系统装调测试平台是个让人‘头疼’的问题。”

通常光学系统在集成过程中,需要模拟载荷的实际工作状态,边装配边调试以保证每个光学部件达到理想精度,才能实现最佳的成像效果。

但由于X射线“看不见,摸不着”,且难以进行折射与反射,科研人员在进行WXT集成装调的过程中,无法使用真实的X射线平行光进行调试,这就好比被“蒙上了双眼”。

这样苛刻的条件下,比如要实现48个探测器组件(4个一组)在空间三维尺度上达到0.05毫米的拼接精度,几乎是不可能完成的任务。

经过多年技术攻关,WXT研制团队终于实现了“从无到有,从落后到赶超”:成功研制出了MPO龙虾眼X射线光学组件;国际上大规模首次采用大面阵硅基CMOS探测器用于X射线天文探测;创新性地采用望远镜热量回收管理技术和在轨触发式处理技术;自主探索出基于可见光的“离线装调”技术,精确反演出载荷在轨性能;EP探路者试验模块(LEIA)在轨成功获取国际上首幅宇宙大视场X射线聚焦成像天图……终于,团队成功研制出了完整的WXT,该设备所有关键器件均为我国自主研发。

同步实现高性能、低资源、低功耗

这样一个超高精度的“广角相机”,数据量惊人。如何在有限的处理芯片资源和低功耗环境下,实现望远镜对速率和性能的要求?WXT的峰值数据率为25.3 G,相当于每秒生成25部1 G的电影。由于原始数据量过大,无法通过星地之间的链路进行传输,因此,必须先在卫星上进行在轨数据处理,再将有效的信息下传到地面科学运行中心。

WXT载荷软件主管设计师、上海技物所高级工程师薛玉龙介绍,“EP卫星是在茫茫宇宙中寻找天文事件,在海量的数据中找到最有效的信息是关键”。

电子学设计师程志玮、颜爱良、薛玉龙,在单机电测现场对软件及测试结果进行分析讨论。中国科学院上海技术物理研究所 供图

团队连续三个月,每天工作到凌晨三点,最终将处理后的速率最终降低为5.127 Mb,在轨每秒可在150亿个像素中提取约1000个有效像素信息。

此外,为了更好实现高性能、低资源和低功耗之间的平衡,团队还创新性的采用了望远镜热量回收管理技术以降低能耗。

WXT载荷热控主管设计师、上海技物所工程师李军飞介绍,“载荷电子学部件工作时会产生热量,我们回收并利用这部分热量为光学系统提供保温,以防止MPO镜片发生热变形。最初整星需要为WXT提供270W的热控功耗,并且需要1.8平米的辐射板提供电子学散热,通过热量回收设计,WXT控温功耗降为115W,并减少了散热板面积,为整星减轻了重量并保障了大视场观测需求。同时,在轨烘烤阶段,WXT采用分组烘烤及错峰措施,将烘烤阶段峰值功耗由984W减小到424W以下。”

随着EP卫星首批在轨观测图像发布,时域天文学将迎来跨越式新发展。下一阶段,EP将继续按照既定计划开展并完成在轨测试,加强国内外合作和数据开放共享工作,探测宇宙中转瞬即逝的“焰火”,为高能时域天文观测和研究做出有显示度的贡献。

 
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