6月26日，一個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)吸引了全球天文愛好者的目光。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布消息，“天關(guān)”衛(wèi)星成功捕捉到一個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙X射線信號(hào)，為揭示恒星死亡過程提供了全新視角。
“天關(guān)”衛(wèi)星是一顆面向時(shí)域天文學(xué)的發(fā)現(xiàn)型X射線天文探測(cè)衛(wèi)星。它是“宇宙焰火”的精準(zhǔn)“捕手”，在軟X射線波段開展高靈敏度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)巡天監(jiān)測(cè)，能夠系統(tǒng)性地發(fā)現(xiàn)宇宙高能暫現(xiàn)和劇變天體，探究其本質(zhì)和物理過程。
“天關(guān)”衛(wèi)星是國(guó)際首顆大視場(chǎng)X射線成像衛(wèi)星。其總設(shè)計(jì)師張永合與國(guó)內(nèi)外科研工作者一道，不斷創(chuàng)新突破，挑戰(zhàn)性能極限。日前，張永合接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪，講述“天關(guān)”衛(wèi)星背后的攻關(guān)歷程和團(tuán)隊(duì)成長(zhǎng)故事。
圖為“天關(guān)”衛(wèi)星捕捉到的編號(hào)為EP240414a的宇宙X射線信號(hào)藝術(shù)想象圖。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)供圖
張永合，中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)。作為“天關(guān)”衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師和中法天文衛(wèi)星總指揮，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與科學(xué)家聯(lián)合攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，拓展國(guó)際合作網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)我國(guó)在伽馬暴等暫現(xiàn)源探測(cè)領(lǐng)域邁向國(guó)際領(lǐng)先水平。
破解觀測(cè)難題
記者：請(qǐng)您介紹下“天關(guān)”衛(wèi)星名字的由來。
張永合：我國(guó)很多空間科學(xué)衛(wèi)星都有一個(gè)結(jié)合中華文化和現(xiàn)代科技的名字，比如墨子號(hào)、悟空號(hào)、夸父一號(hào)等。天關(guān)星是金牛座的一顆星。公元1054年，天關(guān)星附近出現(xiàn)了一個(gè)很亮的爆發(fā)源，當(dāng)時(shí)北宋的司天監(jiān)觀測(cè)并記錄下了這一事件，將這次爆發(fā)的超新星稱為天關(guān)客星。
雖然我國(guó)最早記錄了天關(guān)客星，但在現(xiàn)代天文研究中，對(duì)其的觀測(cè)工作一度依靠國(guó)外的設(shè)備，例如錢德拉X射線天文臺(tái)、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡等。“天關(guān)”衛(wèi)星的出現(xiàn)打破了我國(guó)在這一領(lǐng)域的“缺席”局面。歷經(jīng)千年，我們中國(guó)人用自己研制的設(shè)備，重新“看到”了它，因此這顆衛(wèi)星被命名為“天關(guān)”衛(wèi)星。
記者：這如同一次穿越古今的“對(duì)視”。
張永合：是的，我們常說中國(guó)“天關(guān)”，一眼千年。這句話其實(shí)有兩層含義。一方面，通過“天關(guān)”衛(wèi)星，研究人員能夠看到上億年前的宇宙天體。另一方面，這也代表著經(jīng)過了千年，我國(guó)天文觀測(cè)能夠再續(xù)輝煌。在古代，我國(guó)天文學(xué)家用眼睛來看，用筆墨來記錄天關(guān)客星。今天，我們用高科技重新“審視”它。
記者：“天關(guān)”衛(wèi)星的主要任務(wù)是什么？
張永合：“天關(guān)”衛(wèi)星的主要任務(wù)，是在軟X射線波段開展觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)宇宙中的暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體。
暫現(xiàn)源是指在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，然后很快消失的天體爆發(fā)事件。它來得快，去得也快，人們把它形象地稱作“宇宙焰火”。古人把暫現(xiàn)天體稱作“客星”，就是說和恒星相比，它如同“做客”一樣，不久就“走了”。天關(guān)客星就是典型的暫現(xiàn)天體。歷史記載，它的亮度很強(qiáng)，無論白天晚上都能被看到。但這樣的亮度持續(xù)了23天，后面就一點(diǎn)點(diǎn)地暗淡直至徹底看不見。劇烈爆發(fā)天體則是指亮度在短時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)極大增長(zhǎng)的天體。
記者：觀測(cè)暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體的目的是什么？
張永合：科學(xué)家們認(rèn)為，暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體產(chǎn)生于天體形成和演化的關(guān)鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關(guān)鍵信息。同時(shí)，它們?cè)诒l(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量非常大，能夠把這些關(guān)鍵信息傳播得更遠(yuǎn)、更久。通過觀測(cè)工作，我們甚至能夠接收到來自上百億年前的信息。這些宇宙形成早期的信息非常珍貴，對(duì)于研究宇宙中的極端現(xiàn)象、探索宇宙演化奧秘具有重要意義。
“天關(guān)”衛(wèi)星的另一個(gè)名字“愛因斯坦探針衛(wèi)星”（Einstein Probe），也體現(xiàn)了研究的目的。愛因斯坦廣義相對(duì)論中有關(guān)于黑洞、引力波的相關(guān)預(yù)言。而產(chǎn)生引力波時(shí)，可能伴隨X射線輻射或其他種類的電磁輻射。如果有引力波事件發(fā)生，“天關(guān)”衛(wèi)星可以調(diào)整觀測(cè)角度，監(jiān)測(cè)是否有與引力波相對(duì)應(yīng)的電磁輻射信號(hào)，使研究人員能夠進(jìn)一步探索神秘的黑洞和引力波。
打造“全能冠軍”
記者：對(duì)比國(guó)際上其他觀測(cè)暫現(xiàn)源的設(shè)備，“天關(guān)”衛(wèi)星有哪些特點(diǎn)？
張永合：相比國(guó)際同類衛(wèi)星，“天關(guān)”衛(wèi)星有三個(gè)突出特點(diǎn)：大視場(chǎng)、高靈敏、準(zhǔn)定位。作為一顆發(fā)現(xiàn)型的衛(wèi)星，它不僅要具有靈敏的“嗅覺”，還要具有寬闊的“眼界”，只有這樣才能捕捉到一閃而過的“宇宙焰火”。在發(fā)現(xiàn)暫現(xiàn)源后，“天關(guān)”衛(wèi)星還能將其精準(zhǔn)定位，定位精度可以達(dá)到1角分。目前國(guó)際上能同時(shí)做到大視場(chǎng)和高靈敏的軟X射線探測(cè)衛(wèi)星，只有“天關(guān)”衛(wèi)星。
此外，“天關(guān)”衛(wèi)星能快速地與全球天文觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行信息交互。它還搭載了兩個(gè)焦距達(dá)1.6米的后隨X射線望遠(yuǎn)鏡，能看到更深遠(yuǎn)的宇宙空間。因此，我們也形容它為兼具“廣巡視、精捕捉、快響應(yīng)、深觀測(cè)、速聯(lián)網(wǎng)”優(yōu)點(diǎn)的五項(xiàng)全能冠軍。
記者：為了成為“五項(xiàng)全能冠軍”，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了哪些創(chuàng)新設(shè)計(jì)？
張永合：可以說“天關(guān)”衛(wèi)星是一顆逐步成長(zhǎng)的衛(wèi)星。研制過程中，我們不斷嘗試，努力挑戰(zhàn)衛(wèi)星性能極限，做到不留遺憾。一個(gè)數(shù)據(jù)可以說明其性能的不斷提升：在立項(xiàng)初期，“天關(guān)”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)重量?jī)H有1噸，等到發(fā)射的時(shí)候它的重量已達(dá)1.4噸。
例如，為了實(shí)現(xiàn)“廣巡視、精捕捉”，我們創(chuàng)新使用了“大眼”+“小眼”的設(shè)計(jì)。“大眼”是指12臺(tái)軟X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT）模塊。通過運(yùn)用“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術(shù)，它不僅具有3600度的大視場(chǎng)，還實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)靈敏度和空間分辨率1至2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。“小眼”是指兩臺(tái)后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT）。它的視場(chǎng)雖然不到1度，但接收光子的面積更大，看得更清晰，是“天關(guān)”衛(wèi)星的“千里眼”。
為了實(shí)現(xiàn)“大眼”“小眼”的快速切換、精準(zhǔn)配合，我們?cè)谛l(wèi)星上設(shè)計(jì)了全自主的探測(cè)、處理、定位、機(jī)動(dòng)、信息分發(fā)響應(yīng)流程，能夠自主識(shí)別與分析暫現(xiàn)源，自動(dòng)排列優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)發(fā)布暫現(xiàn)源位置及光子信息并觸發(fā)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)；還配置了6個(gè)大力矩反作用飛輪，保證后隨望遠(yuǎn)鏡能夠即時(shí)指向龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)源，開展后隨深度觀測(cè)。
記者：什么是“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術(shù)？
張永合：這與成像原理有關(guān)。簡(jiǎn)單來說，“天關(guān)”衛(wèi)星的成像原理類似光學(xué)相機(jī)，要對(duì)“光”進(jìn)行聚焦和處理。但難點(diǎn)在于，常規(guī)光學(xué)器件無法聚焦“天關(guān)”衛(wèi)星收集的軟X射線。科學(xué)家們想到了龍蝦的眼睛。龍蝦眼是反射式復(fù)眼，由上千個(gè)“小眼”（多個(gè)獨(dú)立光學(xué)單元）組成，這樣的結(jié)構(gòu)帶來了大視野和較強(qiáng)的聚光能力。
仿照龍蝦的眼睛，載荷團(tuán)隊(duì)在軟X射線望遠(yuǎn)鏡上應(yīng)用了微通道光學(xué)（MPO）成像技術(shù)。12個(gè)望遠(yuǎn)鏡共配置了432個(gè)MPO鏡片，每個(gè)MPO鏡片上面分布著上百萬個(gè)微小的方孔。X射線光子在進(jìn)入小孔后，會(huì)在光滑的微通道內(nèi)壁上發(fā)生全反射，并在背照式CMOS探測(cè)器上聚焦成像。這樣，“天關(guān)”衛(wèi)星就有了幾億個(gè)接收宇宙深處X射線光子的微孔。
記者：從圖片上看，14只“眼睛”的排布也很有特點(diǎn)。
張永合：是的，“天關(guān)”衛(wèi)星像一朵盛開的蓮花，2臺(tái)后隨望遠(yuǎn)鏡是“花蕊”，12臺(tái)龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡是“花瓣”。它們高低錯(cuò)落分布，凝視著不同天區(qū)。一塊高聳的遮陽(yáng)板將這朵“蓮花”保護(hù)起來，有效阻止了太陽(yáng)光線對(duì)儀器觀測(cè)造成干擾。
值得一提的是，在最初的兩版方案中，并沒有這把“遮陽(yáng)傘”。隨著研究的深入，科學(xué)家們希望觀測(cè)一些靠近太陽(yáng)的目標(biāo)。當(dāng)時(shí)距離投產(chǎn)僅剩幾個(gè)月。為了不讓衛(wèi)星帶著科學(xué)家的遺憾上天，我們給衛(wèi)星動(dòng)了一次“大手術(shù)”，增加了遮陽(yáng)板，同時(shí)采用了全桁架式光學(xué)平臺(tái)，將12臺(tái)龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡傾斜起來，避開遮陽(yáng)板的干擾，讓12只“龍蝦眼”目光炯炯地注視著宇宙深空。
記者：“天關(guān)”衛(wèi)星在通訊方面進(jìn)行了哪些創(chuàng)新？
張永合：衛(wèi)星在天上并不是“孤軍奮戰(zhàn)”，而是通過聯(lián)動(dòng)地面設(shè)備和其他衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)有效信息的共享，以達(dá)到更好的觀測(cè)效果。為了讓“天關(guān)”衛(wèi)星快速與其他設(shè)備“說上話”，我們應(yīng)用VHF與北斗短報(bào)文系統(tǒng)，建立起“天關(guān)”衛(wèi)星實(shí)時(shí)通訊關(guān)系網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了與全球天文觀測(cè)設(shè)備的一體化“互聯(lián)”模式。
VHF是法國(guó)空間研究中心建設(shè)的一個(gè)地面VHF波段實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)，我們可以借助它將“天關(guān)”衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果快速發(fā)送給其他設(shè)備。北斗短報(bào)文系統(tǒng)則類似于互發(fā)短信的形式，僅需幾個(gè)字節(jié)就能將重要目標(biāo)的天文位置坐標(biāo)發(fā)到“天關(guān)”衛(wèi)星上。
后續(xù)，我們還計(jì)劃進(jìn)行軟件升級(jí)優(yōu)化，提升“天關(guān)”衛(wèi)星和中法天文衛(wèi)星等其他設(shè)備的通訊交流效率。
培育新生力量
記者：衛(wèi)星是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)。“天關(guān)”衛(wèi)星的研發(fā)、運(yùn)行由怎樣一群科研人員來支撐？
張永合：我們是一支比較年輕的團(tuán)隊(duì)，骨干成員年齡在三十歲左右。團(tuán)隊(duì)總規(guī)模近百人，包括衛(wèi)星設(shè)計(jì)、載荷設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子信息等專業(yè)的人才。研制空間科學(xué)衛(wèi)星是一個(gè)不斷獲得新認(rèn)識(shí)的過程，每當(dāng)遇到問題，我們都會(huì)在一起探討，群策群力解決問題。
我是控制專業(yè)出身。在衛(wèi)星研制過程中，我不斷向天文學(xué)家們學(xué)習(xí)天文知識(shí)，同時(shí)了解他們對(duì)衛(wèi)星的需求。通過掌握相關(guān)知識(shí)，我能夠在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、提升衛(wèi)星性能的同時(shí)，做好潛在風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。
記者：空間科學(xué)衛(wèi)星是國(guó)際航天領(lǐng)域科技制高點(diǎn)，您認(rèn)為我們需要怎樣的空間科學(xué)人才？
張永合：首先，我們需要具備全球視野的天文學(xué)家，他們能夠提出關(guān)鍵的、前瞻性的科學(xué)問題，引領(lǐng)空間科學(xué)發(fā)展。其次，我們需要一批理解天文學(xué)的衛(wèi)星系統(tǒng)工程師，他們屬于跨界人才，讓天文學(xué)和工程技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域“手牽手”，我扮演的就是這一角色。空間科學(xué)人才還要能夠與全球的科學(xué)家開展合作交流。
此外，我們還需要一批新生力量。空間科學(xué)衛(wèi)星的研制時(shí)間很長(zhǎng)，遇到的問題都很新。“天關(guān)”衛(wèi)星從提出構(gòu)思到發(fā)射經(jīng)過了十余年，十年前參與研制的年輕人如今已步入中年。為了保證這一領(lǐng)域的長(zhǎng)期、持續(xù)發(fā)展，我們必須壯大后備軍，培養(yǎng)熱愛空間科學(xué)、愿意長(zhǎng)期專注這一領(lǐng)域的后備力量。
記者：您認(rèn)為應(yīng)該如何培養(yǎng)優(yōu)秀的空間科學(xué)人才？
張永合：我覺得應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步豐富空間科學(xué)相關(guān)項(xiàng)目的數(shù)量和種類，增加經(jīng)費(fèi)投入，在實(shí)戰(zhàn)中培養(yǎng)人才。如今我們國(guó)家對(duì)空間科學(xué)領(lǐng)域的投入不斷增大，陸續(xù)開展了“夸父”“天宮”“慧眼”等大、中型項(xiàng)目，但是終究只有少數(shù)科研人員能參與其中。我們現(xiàn)在缺少的是有特色的小項(xiàng)目，比如立方星、微小衛(wèi)星等。我們需要在這些小項(xiàng)目中歷練人才。
此外，中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展至今，取得了很多經(jīng)驗(yàn)。但是空間科學(xué)的理念和傳統(tǒng)航天存在一定區(qū)別，比如應(yīng)用類的衛(wèi)星往往在設(shè)計(jì)之初就定好了工程指標(biāo)，而空間科學(xué)衛(wèi)星的工程指標(biāo)是隨著認(rèn)識(shí)的深入不斷調(diào)整的。因此，我認(rèn)為在培養(yǎng)人才的過程中，要注重區(qū)分兩者不同，培育面向未來、面向國(guó)際的空間科學(xué)人才。
記者手記
采訪張永合的過程中，一個(gè)問題一直縈繞在我腦海：一個(gè)控制專業(yè)出身的總設(shè)計(jì)師，是如何做到既懂工程設(shè)計(jì)又了解天文的？
采訪快結(jié)束時(shí)，我忍不住好奇向張永合拋出了問題。沒想到答案很簡(jiǎn)單：總設(shè)計(jì)師做的就是跨界工作，不斷向科學(xué)家們學(xué)習(xí)是他的必修課。
張永合告訴記者，2004年，他工作的第二年，就參與到中法天文衛(wèi)星的研制工作中。等到2013年“天關(guān)”衛(wèi)星項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)，他不僅有了一定的天文知識(shí)儲(chǔ)備，更重要的是學(xué)會(huì)了把科學(xué)家的需求轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)設(shè)計(jì)方案。
人類對(duì)宇宙的探索永無止境。對(duì)于科學(xué)家提出的研究需求，張永合說得最多的一句話是“不要讓衛(wèi)星帶著科學(xué)家的遺憾上天”。衛(wèi)星上天不容易，凝聚了無數(shù)人的心血，張永合總是希望讓衛(wèi)星性能高一點(diǎn)，再高一點(diǎn)。
空間科學(xué)衛(wèi)星研制通常耗時(shí)數(shù)年，需要研究人員沉住氣、坐得住。一名科研工作者，衛(wèi)星立項(xiàng)的時(shí)候可能還是初出茅廬的年輕人，等到衛(wèi)星上天，就已經(jīng)成了經(jīng)驗(yàn)豐富的中年人。
我想，正是這一代一代滿懷熱情的科研工作者，為人類打開了觀察宇宙的那扇窗，讓我們看到星河閃爍，聽到宇宙呢喃。
本文鏈接：張永合：捕捉宇宙深處的“焰火”http://m.sq15.cn/show-11-23112-0.html
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