不久前，“天關”衛(wèi)星在軌交付。自今年1月9日成功發(fā)射以來，該衛(wèi)星以其卓越的X射線探測能力，取得多項科學成果，標志著X射線時域天文領域進入新的時代。

　　“天關”衛(wèi)星是中國科學院空間科學（二期）戰(zhàn)略性先導科技專項立項并實施的空間科學衛(wèi)星系列任務之一，研制過程充滿挑戰(zhàn)與艱辛。從最初的構想開始，團隊通過不懈努力，不畏艱難、勇于創(chuàng)新、追求卓越，把“不可能”變成“可能”。

　　本報從今天起刊發(fā)系列報道，介紹“天關”衛(wèi)星研制過程，講述“天關”背后的科學故事，大力弘揚科學家精神，激勵更多科研工作者投身科技創(chuàng)新事業(yè)。

　　近日，“天關”衛(wèi)星（愛因斯坦探針衛(wèi)星）驗收交付儀式暨首批科學成果發(fā)布會現(xiàn)場，由中國自主研制設備觀測到的首張全天X射線天圖徐徐展開，“天關”衛(wèi)星首席科學家、中國科學院國家天文臺研究員袁為民的眼眶濕潤了。

　　大約10年前，在“天關”衛(wèi)星尚未正式立項時，他曾用同樣澎湃的心情面對按當時的技術條件獲得的衛(wèi)星計算機模擬X射線天圖。“當時，我的內(nèi)心涌出強烈的沖動，一定要把這顆衛(wèi)星做出來，去捕捉真實的暫現(xiàn)天體爆發(fā)瞬間?！痹瑸槊窀嬖V《中國科學報》。

　　令袁為民和團隊感到欣慰的是，“天關”衛(wèi)星2024年1月發(fā)射后的在軌測試期間，已經(jīng)捕捉到多簇宇宙“焰火”。取得不俗成績的背后是中國科學家遠見卓識以及數(shù)十年如一日的堅持。

　　自2012年開始醞釀“天關”衛(wèi)星項目以來，科學家一步一個腳印，穩(wěn)步向前推進，完成了科學目標和需求的深化論證和定量模擬、關鍵技術攻關和原理樣機研制、有效載荷配置及可行性分析，最終于2017年12月正式立項。

　　在立項前多年的時光里，中國科學家早已以前瞻性的目光，為“天關”衛(wèi)星書寫出一部宏偉的“前傳”。

　　這部“前傳”可以追蹤到2009年。中國科學院高能物理研究所（以下簡稱高能所）研究員張雙南前往英國萊斯特大學訪問，與該校教授喬治弗瑞澤（George Fraser）討論未來X射線天文方面的合作。

　　“他非常熱情地向我介紹了‘龍蝦眼’望遠鏡的原理和未來發(fā)展前景。”張雙南回憶，“為了說服我，他讓我在他辦公室動手計算了‘龍蝦眼’望遠鏡的性能，我的計算結果讓我立刻認識到這種新型望遠鏡技術的發(fā)展前景?！?

　　作為X射線天文學中最先進、難度最大的技術之一，“龍蝦眼”望遠鏡的概念始于20世紀70年代。美國科學家羅杰安吉爾（Roger Angel）受到龍蝦眼睛特殊結構的啟發(fā)，設計出由許多微小管道組成陣列的類似龍蝦復眼的結構。這一結構能讓X射線發(fā)生多次反射而最終匯聚成像，并且實現(xiàn)廣闊的視角。當時，世界范圍內(nèi)，這項技術都還處于實驗室階段，始終沒有在太空中得到應用。

　　結束訪問后不久，張雙南得到中國科學院國家天文臺的支持，在國家天文臺創(chuàng)立了X射線成像實驗室并擔任首席研究員，開始組建團隊開展龍蝦眼微孔X射線成像技術的研發(fā)。從此，他一直與“龍蝦眼”相伴相行，衛(wèi)星項目正式立項后，還擔任著項目顧問。

　　不久后，張雙南邀請在清華大學結束博士后工作的張臣和凌志興加入?！捌鸪酰覀冎挥腥齻€人，條件非常艱苦，擠在一個狹小的辦公室里?！睆堧p南回憶。

　　在缺乏資金的情況下，他們通過各種渠道找尋資金，逐步完善實驗裝備，開始了初步研究。張臣負責龍蝦眼微孔成像技術的研究，而凌志興主攻與之相匹配的X射線探測器。這些前期探索為后來“天關”衛(wèi)星項目的提出和“龍蝦眼”望遠鏡的研發(fā)奠定了堅實的團隊和技術。

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　　2011年初，中國載人航天工程面向全國征集空間站的科學載荷項目，張雙南提出了“空間站軟X射線全天監(jiān)視器（ASM）”的構想。

　　剛剛加入國家天文臺的袁為民接到了這個任務——負責ASM項目的論證。最初，他拿到了一頁紙，上面有一幅圖。他一眼認出這是英國萊斯特大學曾經(jīng)參與歐空局的一個衛(wèi)星建議項目。

　　時光再倒退10年。2001年，當時正在日本參與研制國際空間站“X射線全天監(jiān)視器（MAXI）”的袁為民，在與喬治弗瑞澤教授的交流中第一次聽說了“龍蝦眼”技術。

　　袁為民很快意識到，這是探測當時鮮為人知的“黑洞潮汐瓦解恒星”事件最有效的技術。兩年后，他應邀參加了喬治弗瑞澤教授在英國萊斯特大學召開的國際空間站“龍蝦眼監(jiān)視器（Lobster-ISS）”的科學討論會，作了關于“潮汐瓦解恒星”事件探測可行性的報告并首次估算了探測率。他最終將這一建議寫入Lobster-ISS的科學目標。

　　“沒想到，10年后，我能與‘龍蝦眼’結緣，有幸在自己的國家參與這一新技術的研發(fā)和應用?！彼硎荆斑@要感謝張雙南教授、張臣博士和凌志興博士！”

　　說干就干！袁為民和張臣、凌志興分工明確，分別負責科學論證和技術及設計。從2011年初開始，他們投入全部時間和精力，從科學目標論證入手，逐步完成儀器設計、性能模擬計算等。歷時一年多時間，2012年，他們提交了一份長達5萬多字、70多頁的報告——“X射線-紫外全天監(jiān)視器”建議書，袁為民為項目負責人。

　　當然，他們更沒想到的是，從這份報告開始的又一個10年里，他們親手打造出帶著“龍蝦眼”的衛(wèi)星。

　　此后，空間站科學應用項目進展緩慢。團隊似乎來到一個十字路口：是繼續(xù)堅持，還是放棄。幾個人心里很清楚，他們面對的將是一場“豪賭”。如果輸了，他們會浪費學術生命中最寶貴的一段時間。

　　“對于一名天文學家而言，將望遠鏡送入太空的機會可能一生只有一次，如果放棄，我們可能會永遠失去這個機會?！痹瑸槊癖硎?，“更重要的是，也將失去中國在X射線時域天文學上領先的機會。”他們欣然接受“賭局”，決定咬牙繼續(xù)堅持下去，在這一領域深耕細作，爭取實現(xiàn)技術上的突破。

　　轉(zhuǎn)折點在2012年12月7日到來。那天，袁為民得知，中國科學院正在征集空間科學先導專項二期中小型衛(wèi)星背景型號項目。思考了一晚上，第二天，他給張雙南和張臣發(fā)了一封電子郵件，提出研制一顆衛(wèi)星的想法。

　　郵件中寫道：“我們可以在現(xiàn)有為空間站設計的監(jiān)視器的基礎上，增加一個小視場望遠鏡，這會對暫現(xiàn)源的物理研究帶來巨大的幫助。當然，這樣做會伴隨一定風險，即使不增加，也會有開創(chuàng)性的成果?！焙芸?，他收到張雙南的回復：“這是一個不錯的提議?！?

　　很快，袁為民邀請張雙南、美國內(nèi)華達大學拉斯維加斯分校教授張冰、國家天文臺研究員魏建彥和張臣等國內(nèi)外幾位專家，召開了一次討論。頭腦風暴之后，他們確定了衛(wèi)星的科學目標，包括暫現(xiàn)天體巡天、黑洞吞噬恒星、引力波電磁對應體。當時設定的這些目標一直沿用至今。

　　“科學目標都是愛因斯坦相對論的預言，這顆衛(wèi)星就叫‘愛因斯坦探針’吧！”張雙南的提議得到了大家的贊成。“探針”一詞源于英文單詞“probe”，在天文學中通常指的是一種專門用來探測特定宇宙天體現(xiàn)象的小型設備。

　　10多年后的今天，為充分體現(xiàn)中國在暫現(xiàn)天體觀測記錄方面的深厚淵源和對世界天文學的卓越貢獻，衛(wèi)星定名為“天關”。

　　2013年1月，在袁為民的帶領下，科研團隊如期提交申請書。經(jīng)過幾輪競爭性遴選和波折，2013年6月，他們最終以先進的科學目標、創(chuàng)新的技術和扎實的論證，獲得空間科學先導專項二期背景型號的入場券。袁為民擔任衛(wèi)星的首席科學家。

　　2014年1月至2016年中，項目處于背景型號研究階段，開展科學目標論證、關鍵技術攻關和載荷初步設計。

　　科學目標的論證至關重要?！翱臻g衛(wèi)星研發(fā)周期很長，這決定了我們不僅要證明這顆衛(wèi)星在當前是先進的，更要確保它在未來多年內(nèi)仍然領先?！睘榇耍瑸槊窠M建起一支由60多位專家組成的科學工作組，并邀請了張雙南、時任南京大學教授戴子高等幾位知名學者作為顧問。

　　同樣重要的是，設計什么樣的載荷儀器才能實現(xiàn)這些科學目標。這是一個不斷迭代的過程，科學團隊向儀器團隊提出科學需求，再根據(jù)儀器團隊的設計反饋評估目標是否能被滿足。

　　那么，如何突破核心關鍵技術？如何在技術邊界和經(jīng)費限制的約束下，仍然確?？茖W研究能夠達到國際一流？袁為民、張臣和團隊遇到前所未有的挑戰(zhàn)。

　　2014年5月，袁為民等學者與“國際空間科學研究所-北京分部”聯(lián)合舉辦了”一次國際論壇。論壇上，“天關”衛(wèi)星的科學前景、設計和技術進展獲得了該領域國際上頂尖科學家的高度認可，衛(wèi)星首次被推向國際舞臺。

　　接下來又是1 年半艱難的立項論證階段。在這一關鍵時期，項目得到了國內(nèi)外同行大力支持，特別是時任中國科學院國家空間科學中心主任吳季、中國科學院院士陳建生和李惕碚，以及英國萊斯特大學教授奧布萊恩（O’Brien）和威林加爾（Willingale）、美國國家航空航天局（NASA）“雨燕”衛(wèi)星負責人尼爾蓋倫斯（Niel Gehrels）博士、日本MAXI設備負責人松岡（Matsuoka）博士、中法衛(wèi)星空間可變物體監(jiān)測衛(wèi)星（SVOM ）法方負責人科爾迪埃（Cordier）博士等。此外，SVOM 衛(wèi)星法方還承諾可以利用其“甚高頻網(wǎng)絡”（VHF）快速下傳“天關”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)天體信息。

　　在袁為民看來，正是這些“前傳”背后的基礎、努力和推動，才使得項目能夠在2017年12月正式獲得立項，今天的“天關”衛(wèi)星才得以在太空翱翔。