作者:江庆龄 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/29 21:09:07
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爱因斯坦探针首图发布,时域天文学将迎来新发展

 

4月27日,2024中关村论坛年会平行论坛空间科学论坛在京召开。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。卫星搭载了国际首台宽视场X射线成像望远镜(WXT)和1台后随X射线望远镜(FXT)。WXT由中国科学院上海技术物理研究所(以下简称上海技物所)与中国科学院国家天文台(以下简称国家天文台)联合研制,其微孔光学(MPO)关键元件由北方夜视提供。

WXT指向银河系中心的观测图像。图片来源于X射线数据版权EP科学中心

“仅仅工程阶段,就历时7年时间。团队从概念验证开始,将一个个设想逐渐变为现实,现在这台望远镜终于‘张开了眼睛’。”中国科学院院士、上海技物所研究员、WXT载荷的负责人孙胜利表示,“这个过程让人非常激动和振奋。”

为什么需要爱因斯坦探针?

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,旨在发现和探索宇宙中X射线暂现和爆发天体,并发布预警以引导其它天文设备进行后随跟踪观测。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,将在软X射线这一新的监测窗口进行大视场、高灵敏度、快速时域巡天监测。

爱因斯坦探针卫星示意图。图片来源于上海技物所

太空中已经有为数不少的X射线卫星,如钱德拉X射线卫星、Nustar卫星、INTEGRAL卫星等。我们为什么还需要这样一台空间望远镜?

孙胜利用显微镜进行了类比:一般的电子显微镜能够看到分子的结构,但看不清分子结构是如何变化的;同样,以往的空间望远镜,可以研究天体的状态,却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。

时域天文学的主要研究对象是暂现源和剧烈爆发天体。暂现源指在短时间内出现,又很快消失的天体,剧烈爆发天体则是指亮度在短时间内突然出现数量级式增长的天体。

国家天文台研究员、EP卫星首席科学家助理张臣介绍:“黑洞潮汐瓦解恒星、伽马射线暴等事件发生时,都会发出X射线。通过研究X射线,可以探索非常高温、高能物理过程中的发生的物理事件。”

然而,在广阔的宇宙中,这类突然事件的出现充满随机性,已有的空间望远镜很难观测到。

EP卫星最大的特点是兼具高灵敏度和大视场。由WXT搜索以及定位暂现源,再由FXT进行对暂现源进行精确测量。EP卫星具有3850平方度的视场,覆盖了约十一分之一天区,填补了国际上在软X射线该波段的大视场全天监测设备的空白。

它将以国际上最高的探测灵敏度、在迄今监测范围最广的宇宙空间,发现突变天体和监测天体的活动性,发现和探索各种尺度的沉寂的黑洞,探测引力波源的电磁波对应体并进行精确定位。

十年磨一“星”

项目的起点要往回拨到2013年。这一年11月15日,中国科学院空间科学先导专项背景型号项目“爱因斯坦探针卫星”科学论证启动会召开,到2024年1月9日成功发射,不可谓是十年磨一“星”。

回顾研制的历程,这支“85后”为主的团队,关关难过关关过,突破了一项又一项关键技术。

首先是X射线的聚焦问题。由于X射线的光子能量很高,穿透力极高且容易与原子发生相互作用,很难通过折射或反射进行聚焦。以往常用的方法为直线光学法和聚焦成像法两种,而前者空间定位的精确度较差,后者的视场非常小,均无法满足时域天文学的发展需求。

1979年,美国亚利桑那大学罗杰·安吉尔受龙虾眼全发射成像的原理启发,首次提出了一种仿生的X射线成像光学构型。这个光学系统可以满足天文学家对大视场的需求,是X射线时域天文学所追求的下一代设备,但因为技术难度非常高,设想提出后数十年都未能实现。

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。“我们最初是打算购买国外的类似设备,但价格昂贵,且对我国存在技术和经济方面的封锁。”张臣指出。

经过多年技术攻关,国家天文台联合北方夜视成功研制出基于MPO技术的龙虾眼X射线光学组件,同时依托上海技物所在卫星光学载荷研制方面积累的丰富经验,终于集成研制出完整的WXT,该设备的关键器件均为我国自主研发。

上海技物所副研究员、WXT载荷主任设计师孙小进介绍,典型的龙虾眼MPO镜片是一个42.5mm×42.5mm的曲面,曲率半径为750mm,每个镜片上有近100万个小方格,方格的大小为40μm×40μm,壁的厚度为8μm,光洁度达到0.83nm,这对整个相机关键元部件获取和系统集成装调提出了十分苛刻的要求。

寻找WXT焦面的光子探测器,则是另一大挑战。20世纪90年代以来,X射线望远镜一般采用电荷耦合器件(CCD)作为焦面探测器。但国内目前尚无法制造满足天文需求的科学级CCD,进口的价格十分昂贵。此外,以往常用的气体探测器,可能会因为太空中的微流星和宇宙尘埃撞击而失效。

团队创新性地将背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)应用于探测X射线光子。尽管CMOS早已广泛应用于数码相机、手机摄像头,但这是国际上首次将大面阵CMOS探测器应用于天文学探测。“我们使用的CMOS探测器具高性能、高灵敏度、高一致性的特点,且每个探测器面积达6cm×6cm。”凌志兴指出,“这也是一个重要创新,目前还没有其他项目使用过这么大规模的硅基成像探测器。” 

WXT专用背照式CMOS膜探测器。图片来源于上海技物所

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,是团队遇到的一大难题。望远镜的峰值数据率为25.3G,相当于每秒生成25部1G的电影。

为保证数据的可靠性,一般而言需要将原始数据全部存储下来,再传到地面上进行后续的分析处理。但EP的原始数据量过大,无法通过星地之间的链路进行实时传输,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。

“EP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,同样是‘大海捞针’的过程。”上海技物所高级工程师、WXT载荷软件主管薛玉龙解释。

团队曾连续三个月,每天工作到凌晨三点,最终实现了高性能、低资源和低功耗之间的平衡。处理后的速率最终降低为5.127Mb,较原始数据量减少了四万多倍。

“电子学硬件设计是一件需要严谨、细致和耐心的工作,在研发过程当中,如果有任何的疏忽和失误都将造成巨大的损失。”上海技物所高级工程师、WXT载荷探测器主管颜爱良表示。正式在研制流程的保证和团队协同努力下,最终实现了产品从设计、生产到发射、在轨观测全流程的零失误。

开放合作的典范

凌志兴强调,EP卫星项目从理论走向现实,是精诚合作的产物。“这是多维度的合作,包括了国内外机构的长期合作、中国科学院内部多个单位集中各家优势、研究院和企业共同攻关、科学家和工程师间深度交流、老中青三代成员携手与共。”

2022年7月27日,WXT的一个实验模块(EP-WXT探路者,后命名为莱娅LEIA)搭载空间新技术试验卫星(SATech-01)发射升空。该仪器观测视场达340平方度,是国际上首个宽视场X射线聚焦成像望远镜,首批在轨实测结果显示,单次(约13分钟)观测即可同时探测到多个方向上的X射线源,同时能够记录这些天体X射线辐射强度随时间变化的信息以及天体的X射线能谱。在轨测试完成后,莱娅迄今已取得系列科学成果。

当时,X射线观测领域专家、英国莱斯特大学教授保罗·奥布莱恩和理查德·威林盖尔表示:“几十年来,我们一直在期待一个真正的宽视场软X射线望远镜,莱娅的成功运行令人振奋。这项技术将对X射线天空的监测带来变革性的推动,这项试验也表明了EP卫星巨大的科学潜力。”

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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