4月27日，2024中關(guān)村論壇年會平行論壇空間科學(xué)論壇在京召開。由中國科學(xué)院牽頭實施的愛因斯坦探針（EP）衛(wèi)星任務(wù)發(fā)布了第一批在軌探測圖像。衛(wèi)星搭載了國際首臺寬視場X射線成像望遠鏡（WXT）和1臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。WXT由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡稱上海技物所）與中國科學(xué)院國家天文臺

　　“僅僅工程階段，就歷時7年時間。團隊從概念驗證開始，將一個個設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，現(xiàn)在這臺望遠鏡終于‘張開了眼睛’。”中國科學(xué)院院士、上海技物所研究員、WXT載荷的負責(zé)人孫勝利表示，“這個過程讓人非常激動和振奮?！?

　　EP衛(wèi)星是中國科學(xué)院空間科學(xué)二期先導(dǎo)專項立項并實施的空間科學(xué)衛(wèi)星系列任務(wù)之一，由中方主導(dǎo)，歐洲航天局（ESA）、德國馬普地外物理研究所（MPE）和法國航天局（CNES）以國際合作形式參與衛(wèi)星研制，旨在發(fā)現(xiàn)和探索宇宙中X射線暫現(xiàn)和爆發(fā)天體，并發(fā)布預(yù)警以引導(dǎo)其它天文設(shè)備進行后隨跟蹤觀測。WXT是目前國際上探測靈敏度和空間分辨率最高的大視場X射線望遠鏡，將在軟X射線這一新的監(jiān)測窗口進行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監(jiān)測。

　　太空中已經(jīng)有為數(shù)不少的X射線衛(wèi)星，如錢德拉X射線衛(wèi)星、Nustar衛(wèi)星、INTEGRAL衛(wèi)星等。我們?yōu)槭裁催€需要這樣一臺空間望遠鏡？

　　孫勝利用顯微鏡進行了類比：一般的電子顯微鏡能夠看到分子的結(jié)構(gòu)，但看不清分子結(jié)構(gòu)是如何變化的；同樣，以往的空間望遠鏡，可以研究天體的狀態(tài)，卻無法看清其動態(tài)過程。要了解宇宙的演化過程，就需要更深入的觀測能力、更廣的觀測范圍，這正是高能時域天文學(xué)關(guān)注的主要內(nèi)容。

　　時域天文學(xué)的主要研究對象是暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體。暫現(xiàn)源指在短時間內(nèi)出現(xiàn)，又很快消失的天體，劇烈爆發(fā)天體則是指亮度在短時間內(nèi)突然出現(xiàn)數(shù)量級式增長的天體。

　　國家天文臺研究員、EP衛(wèi)星首席科學(xué)家助理張臣介紹：“黑洞潮汐瓦解恒星、伽馬射線暴等事件發(fā)生時，都會發(fā)出X射線。通過研究X射線，可以探索非常高溫、高能物理過程中的發(fā)生的物理事件。”

　　然而，在廣闊的宇宙中，這類突然事件的出現(xiàn)充滿隨機性，已有的空間望遠鏡很難觀測到。

　　EP衛(wèi)星最大的特點是兼具高靈敏度和大視場。由WXT搜索以及定位暫現(xiàn)源，再由FXT進行對暫現(xiàn)源進行精確測量。EP衛(wèi)星具有3850平方度的視場，覆蓋了約十一分之一天區(qū)，填補了國際上在軟X射線該波段的大視場全天監(jiān)測設(shè)備的空白。

　　它將以國際上最高的探測靈敏度、在迄今監(jiān)測范圍最廣的宇宙空間，發(fā)現(xiàn)突變天體和監(jiān)測天體的活動性，發(fā)現(xiàn)和探索各種尺度的沉寂的黑洞，探測引力波源的電磁波對應(yīng)體并進行精確定位。

　　項目的起點要往回撥到2013年。這一年11月15日，中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項背景型號項目“愛因斯坦探針衛(wèi)星”科學(xué)論證啟動會召開，到2024年1月9日成功發(fā)射，不可謂是十年磨一“星”。

　　回顧研制的歷程，這支“85后”為主的團隊，關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過，突破了一項又一項關(guān)鍵技術(shù)。

　　首先是X射線的聚焦問題。由于X射線的光子能量很高，穿透力極高且容易與原子發(fā)生相互作用，很難通過折射或反射進行聚焦。以往常用的方法為直線光學(xué)法和聚焦成像法兩種，而前者空間定位的精確度較差，后者的視場非常小，均無法滿足時域天文學(xué)的發(fā)展需求。

　　1979年，美國亞利桑那大學(xué)羅杰安吉爾受龍蝦眼全發(fā)射成像的原理啟發(fā)，首次提出了一種仿生的X射線成像光學(xué)構(gòu)型。這個光學(xué)系統(tǒng)可以滿足天文學(xué)家對大視場的需求，是X射線時域天文學(xué)所追求的下一代設(shè)備，但因為技術(shù)難度非常高，設(shè)想提出后數(shù)十年都未能實現(xiàn)。

　　2010年，國家天文臺開始探索微孔龍蝦眼X射線成像技術(shù)研究?！拔覀冏畛跏谴蛩阗徺I國外的類似設(shè)備，但價格昂貴，且對我國存在技術(shù)和經(jīng)濟方面的封鎖?！睆埑贾赋?。

　　經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，國家天文臺聯(lián)合北方夜視成功研制出基于MPO技術(shù)的龍蝦眼X射線光學(xué)組件，同時依托上海技物所在衛(wèi)星光學(xué)載荷研制方面積累的豐富經(jīng)驗，終于集成研制出完整的WXT，該設(shè)備的關(guān)鍵器件均為我國自主研發(fā)。

　　上海技物所副研究員、WXT載荷主任設(shè)計師孫小進介紹，典型的龍蝦眼MPO鏡片是一個42.5mm×42.5mm的曲面，曲率半徑為750mm，每個鏡片上有近100萬個小方格，方格的大小為40μm×40μm，壁的厚度為8μm，光潔度達到0.83nm，這對整個相機關(guān)鍵元部件獲取和系統(tǒng)集成裝調(diào)提出了十分苛刻的要求。

　　尋找WXT焦面的光子探測器，則是另一大挑戰(zhàn)。20世紀90年代以來，X射線望遠鏡一般采用電荷耦合器件（CCD）作為焦面探測器。但國內(nèi)目前尚無法制造滿足天文需求的科學(xué)級CCD，進口的價格十分昂貴。此外，以往常用的氣體探測器，可能會因為太空中的微流星和宇宙塵埃撞擊而失效。

　　團隊創(chuàng)新性地將背照式互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）應(yīng)用于探測X射線光子。盡管CMOS早已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機、手機攝像頭，但這是國際上首次將大面陣CMOS探測器應(yīng)用于天文學(xué)探測。“我們使用的CMOS探測器具高性能、高靈敏度、高一致性的特點，且每個探測器面積達6cm×6cm。”凌志興指出，“這也是一個重要創(chuàng)新，目前還沒有其他項目使用過這么大規(guī)模的硅基成像探測器?！?

　　這樣一個超高精度的“廣角相機”，數(shù)據(jù)量驚人。如何在有限的處理芯片資源和低功耗環(huán)境下，實現(xiàn)望遠鏡對速率和性能的要求，是團隊遇到的一大難題。望遠鏡的峰值數(shù)據(jù)率為25.3G，相當(dāng)于每秒生成25部1G的電影。

　　為保證數(shù)據(jù)的可靠性，一般而言需要將原始數(shù)據(jù)全部存儲下來，再傳到地面上進行后續(xù)的分析處理。但EP的原始數(shù)據(jù)量過大，無法通過星地之間的鏈路進行實時傳輸，因此，必須先在衛(wèi)星上進行在軌數(shù)據(jù)處理，再將有效的信息下傳到地面科學(xué)運行中心。

　　“EP是在茫茫宇宙中尋找天文事件，在海量的數(shù)據(jù)中找到最有效的信息，同樣是‘大海撈針’的過程。”上海技物所高級工程師、WXT載荷軟件主管薛玉龍解釋。

　　團隊曾連續(xù)三個月，每天工作到凌晨三點，最終實現(xiàn)了高性能、低資源和低功耗之間的平衡。處理后的速率最終降低為5.127Mb，較原始數(shù)據(jù)量減少了四萬多倍。

　　“電子學(xué)硬件設(shè)計是一件需要嚴謹、細致和耐心的工作，在研發(fā)過程當(dāng)中，如果有任何的疏忽和失誤都將造成巨大的損失?！鄙虾＜嘉锼呒壒こ處?、WXT載荷探測器主管顏愛良表示。正式在研制流程的保證和團隊協(xié)同努力下，最終實現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計、生產(chǎn)到發(fā)射、在軌觀測全流程的零失誤。

　　凌志興強調(diào)，EP衛(wèi)星項目從理論走向現(xiàn)實，是精誠合作的產(chǎn)物?！斑@是多維度的合作，包括了國內(nèi)外機構(gòu)的長期合作、中國科學(xué)院內(nèi)部多個單位集中各家優(yōu)勢、研究院和企業(yè)共同攻關(guān)、科學(xué)家和工程師間深度交流、老中青三代成員攜手與共?！?

　　2022年7月27日，WXT的一個實驗?zāi)K（EP-WXT探路者，后命名為萊婭LEIA）搭載空間新技術(shù)試驗衛(wèi)星（SATech-01）發(fā)射升空。該儀器觀測視場達340平方度，是國際上首個寬視場X射線聚焦成像望遠鏡，首批在軌實測結(jié)果顯示，單次（約13分鐘）觀測即可同時探測到多個方向上的X射線源，同時能夠記錄這些天體X射線輻射強度隨時間變化的信息以及天體的X射線能譜。在軌測試完成后，萊婭迄今已取得系列科學(xué)成果。

　　當(dāng)時，X射線觀測領(lǐng)域?qū)＜?、英國萊斯特大學(xué)教授保羅奧布萊恩和理查德威林蓋爾表示：“幾十年來，我們一直在期待一個真正的寬視場軟X射線望遠鏡，萊婭的成功運行令人振奮。這項技術(shù)將對X射線天空的監(jiān)測帶來變革性的推動，這項試驗也表明了EP衛(wèi)星巨大的科學(xué)潛力?！?

　　隨著EP衛(wèi)星首批在軌觀測圖像發(fā)布，時域天文學(xué)將迎來跨越式新發(fā)展。下一階段，EP將繼續(xù)按照既定計劃開展并完成在軌測試，加強國內(nèi)外合作和數(shù)據(jù)開放共享工作，探測宇宙中轉(zhuǎn)瞬即逝的“焰火”，為高能時域天文觀測和研究做出有顯示度的貢獻。

　　“怎么提升在九游娛樂的游戲體驗？”

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