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半个世纪等待后,这支8455新澳门路线网址团队重启天文软X射线偏振探测窗口


●记者 李婧



2018年10月29日,8455新澳门路线网址主导的空间天文项目“极光计划”发射升空。

同年12月18日,极光计划的探测器开启高压投入运行,成功探测到了空间X射线。

作为一门观测驱动的科学,天文学的发展在很大程度上依赖新的观测方法和手段。8455新澳门路线网址天文系及工物系冯骅教授研究团队十年磨一剑,成功通过立方星发射并运行近半个世纪以来第一个专门的空间软X射线偏振探测器。这也是工物系过去10年发展高能天体物理、推动学科交叉的结果。

以“年”为单位的长期观测,也给团队带来意外收获。

2019年7月23日,蟹状星云脉冲星发生的一次自转突变。同时,探测器捕捉到偏振信号变化。

2020年5月11日,《自然·天文》杂志封面刊登冯骅课题组与合作者共同完成的最新成果:在卫星上经过一年的观测,X射线偏振探测器探测到来自蟹状星云及脉冲星的软X射线偏振信号,并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化,说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。

这一探测结果也标志着,由于技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。

“极光计划”立方星和探测器结构示意图


X射线偏振探测:看宇宙中的3D场景

探测X射线偏振,我们在测什么?

“偏振”和光的颜色(波长)都是电磁波的基本属性之一。戴上偏振眼镜看3D电影,即是生活中常见的偏振原理应用。

“X射线也是电磁波的一种。我们希望在X射线波段看宇宙的3D场景——并不是像影院一样看到3D图像,但确实是一个新的探测维度。”冯骅解释,“黑洞、中子星这类非常极端的天体虽然光学辐射很弱,却是很强烈的X射线辐射体。由于X射线波长非常短,不存在像可见光偏振片那样合适的滤镜,X射线偏振的测量变得极其的困难。但利用X射线偏振测量,我们能够获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性,从而进一步理解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程发生机制,对高能天体物理而言意义重大。”

于是,早在1968年,美国科学家就率先开展了天文X射线偏振探测,并在1971年发射的探空火箭上完成了247秒的曝光,第一次发现蟹状星云的X射线辐射可能具有高度线偏振,并在1975年上天的OSO-8卫星上完成了首次精确测量。

然而,40多年过去了,科学家们不断论证X射线偏振的用处,预言探测偏振对天体物理的科学价值,却再也没有第二个X射线偏振探测设备在空间运行。探测灵敏度不足,被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。

技术转机出现在2001年。随着核探测技术的发展,意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度X射线偏振测量。这为X射线偏振测量带来了“一种近乎理想的探测技术”。

2009年,回到8455新澳门路线网址任教不久的冯骅开始带领团队,在国际合作的基础上,对X射线偏振探测技术进行探索和改进。

冯骅教授在实验室


在实验室:制长寿命、高性能探测器

2010年初,第一次向冯骅请教的工程物理系学生李红,对X射线偏振可以说知之甚少,但听完老师的介绍,李红被迅速“安利”:“一方面对研究方向很感兴趣,另一方面也发现本科阶段关于核科学核技术方面的知识积累其实可以应用到天文研究领域。”

以本科毕业设计为起点,李红跟随冯骅老师攻读博士学位,全心投入到偏振测量方法和仪器研究中。“在X射线偏振探测发展的停滞阶段,又恰逢新技术的出现,我们更希望做前沿性工作。”李红说。

在实验室研究阶段,团队的目标就一直是“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器。这种新型X射线偏振探测器外形大致如一个火柴盒大小,传感器面积大概相当于一枚硬币。探测方案在初期就已经明晰:X射线通过铍窗进入探测器,与探测气体发生光电效应产生光电子。通过测量运动的光电子穿过气体留下的二维径迹,推断出入射X射线的偏振信息。

洁净间实验场景

然而,单是探测气体密封在“火柴盒”内,实现长期稳定的工作性能,就花了团队整整两年时间。

实验初期做出的探测器,总是在短时间内就被烧坏——核心部件气体电子倍增器(GEM)因高压放电被击穿。在着急忐忑却找不到性能下降的原因时,冯骅曾经告诉团队,做实验的时候不要害怕“搞破坏”,“弄坏东西并找到原因说明你的尝试有效果。”

通过反复的测试研究,气体纯度这一“罪魁祸首”被发现。由于探测器是一个密闭环境,当纯净的探测气体充入后,探测器结构材料表面吸附的杂质气体会慢慢释放,使得探测气体纯度下降,从而引起性能衰减,严重时就会“烧毁”探测器。

探测器封装检查

掌握“闭气型气体探测器的封装技术”的过程,是一个彻彻底底的学科交叉工程。超高真空技术方面的问题,团队请教过中国计量科学研究院和校内凝聚态物理方面的专家;结构材料方面的问题,参考航空航天材料标准,经过再三地测试对比,筛选出满足结构强度的、极低出气率的材料;探测器封装环境方面有差距,则搭建超净室、进行烘烤除气,想方设法降低杂质成分;还找到专属研究院进行气体提纯工作,将气体纯度从市面上常见的99.9%提高至99.999%……

至此,团队迈出重要一步:成品探测器实现了长寿命的要求,从最初只有约30分钟的工作寿命,到封好之后5-10年性能都不会改变。

2017年,团队高灵敏度、低系统误差的X射线偏振探测器在实验室研制成功,并且通过了一系列空间环境模拟试验的检验。

团队研制出的探测器

巧合的是,那一年,商业航天在中国兴起,为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多可能性,由8455新澳门路线网址牵头研制的空间实验“极光计划”应运而生。“极光计划”之名PolarLight,缩写自轻型偏振仪(Polarimeter Light),也源于其研究对象偏振这一“极化的光线”的简称——极光。以此为名,希望利用微纳卫星平台在卫星轨道上直接验证X射线偏振探测技术,从而提高技术成熟度,为未来的空间天文探测所用。

“空间工程是一次性的高风险项目,哪怕有一个虚焊电阻,升空前未能排查出来,整项工作就会宣告失败。从实验室测试、基地发射,到空间调试开机和运行,每一个环节都不容错。”冯骅深知空间天文的不易,也对团队充满信心。

2017年国庆前,第一版本的空间载荷研制完成。一年的紧张调试和标定后,终于在2018年10月29日,“极光计划”搭载在天仪研究院的“铜川一号”立方星上,在酒泉卫星发射中心成功发射到近地轨道上。11月6日,探测器加电自检成功。经过多轮调试,12月18日开启高压投入运行,工作状态正常。“极光计划”“首发”,团队迎来了真正意义上的庆祝时刻。


脉冲星突变:做专一的、以“年”为量级的研究

如今,“极光计划”团队,也不过冯骅这位带头人,一名工程师,一名博士后和3-4名学生的规模。

团队虽小,在技术支持和数据处理方面的分工运转,也和空间中的立方星一样有条不紊。

来自物理系的龙翔云,兴趣使然,大二即加入了冯骅参与指导的学生项目“天格计划”,积极建设伽马暴探测网络。2019年,龙翔云从本科毕业设计起转向“极光计划”,并继续跟随冯骅老师读博。

过去的一年多,龙翔云为探测器编写“日更”指令集,已经完成3000多次开关机指令。

“我每天都会为探测器提供‘明日工作计划’,通过卫星公司上传至空间。以蟹状星云脉冲星的位置信息为基础,结合卫星轨道信息,目标源、卫星和地球的相对位置,形成开关机、转向等指令,保证探测器避开高通量高能粒子的损伤,星敏感器一直指向星空。”

卫星日常运行设计,超出了团队专业范围;控制程序设计,对于学物理出身的龙翔云来说也属跨界。“为了最大化观测效率,和冯老师商量后,我们决定自主设计运行程序。”虽然笑言python写起来比较流畅,但修补bug也在前期也消耗了不少功夫。龙翔云说:“目前程序已经实现高度自动化,每天只需5分钟即可完成。”

2019年3月,探测器进入常规观测,盯准了蟹状星云脉冲星。似“时钟”般运转精确的脉冲星常会在某一个时间点发生一次自转周期突变,然后慢慢恢复,这种自转突变是一种有待研究的天文现象。7月23日,蟹状星云脉冲星的自转突变被X射线偏振探测器捕捉。“我们观测到,经过几十天,脉冲星的偏振信号又慢慢恢复,这一新的发现有助于理解脉冲星、也就是中子星的内部结构。”伴随“极光计划”重回团队做博士后研究,李红称这是自己“最大的惊喜”。这篇登上《自然·天文》封面的成果被审稿人称为“高能天体物理领域期待已久的成果”。

蟹状星云的X射线图和探测器直接测到的电子径迹图像

然而,数据的处理和解释也颇费了一番功夫。

“在偏振计算之外,我们还需折叠出蟹状星云的脉冲相位。蟹状星云的脉冲约为33毫秒一个周期,为了提高信噪比,我们需要把所有观测数据按脉冲周期叠加后得出结论。”叠加过程中的时间矫正又一次“超纲”,查阅资料后的尝试效果并不明显,龙翔云还专门向中科院高能物理研究所葛明玉老师请教。最终经过4周程序设计,完成时间矫正工作。

“团队虽小,五脏俱全。”龙翔云说,大多数成员都是因兴趣加入的,每周组会和灵活讨论中,来自工程物理系和物理系等各院系的成员们发散讨论、相互促进:“在项目推进中学以致用,我们都希望懂得更多一些”。

在冯骅看来,某些科学问题需要对一个科学目标进行长期的跟踪与观测,“极光计划”使用的立方星恰好成为了大型天文项目的一种弥补手段。“极光计划还为我们的人才培养和交叉研究提供了很好的平台。一个完整天文项目的经历,能够极大丰富同学们的学术训练。此外,我们的立方星同时装载了8455新澳门路线网址学生项目‘天格计划’的首个探测器。”冯骅说。

冯骅(左)与博士后李红进行数据分析讨论

这个特殊的寒假,留守实验室的李红、居家的龙翔云和其他成员都跟上进度,推动着“极光”系列的运行和发射计划。说起“极光计划”的未来,团队成员都踏实而乐观。

“观测中的惊喜,来源于我们步步积累出创造偶然的基石。”龙翔云说,蟹状星云脉冲星之外,探测器对人类发现的第一个宇宙X射线源“天蝎座X-1”也有一些数据积累,并将纳入下一步工作计划。“可能源于《三体》的影响,我对天文广阔研究对象的向往,赋予了自己更大的研究动力。”

“天文学的理论突破往往建立在新的观测基础之上。”李红说,观测结果再次说明了我们对遥远星体进行偏振测量的不可替代的作用。通过极光在轨状况分析,大家也对探测器的升级改造有了更多想法。李红表示,更多的数据可能意味着全新的发现,希望能对今后的项目产生积极推进作用,吸引更多喜欢天文的人投入科学研究。

“我们与合作伙伴共同完成的极光计划证明了第二代X射线偏振探测技术的强大能力。”冯骅介绍,“极光计划”所采取的技术,将被应用到预计2027年发射的我国下一代大科学工程“增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP)”上。

(8455新澳门路线网址www.8455.com最新网站网5月20日电)

摄影:李派

图片来源:天文系

编辑:8455新澳门路线网址:赵姝婧 李晨晖

审核:程曦

2020年05月20日 08:57:50  8455新澳门路线网址www.8455.com最新网站网

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