4月27日，2024中關(guān)村論壇年會(huì)平行論壇空間科學(xué)論壇在京召開。由中國(guó)科學(xué)院牽頭實(shí)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(cè)圖像。衛(wèi)星搭載了國(guó)際首臺(tái)寬視場(chǎng)X射線成像望遠(yuǎn)鏡（WXT）和1臺(tái)后隨X射線望遠(yuǎn)鏡（FXT）。WXT由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱上海技物所）與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

　　“僅僅工程階段，就歷時(shí)7年時(shí)間。團(tuán)隊(duì)從概念驗(yàn)證開始，將一個(gè)個(gè)設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，現(xiàn)在這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡終于‘張開了眼睛’?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、上海技物所研究員、WXT載荷的負(fù)責(zé)人孫勝利表示，“這個(gè)過程讓人非常激動(dòng)和振奮。”

　　EP衛(wèi)星是中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)二期先導(dǎo)專項(xiàng)立項(xiàng)并實(shí)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(guó)馬普地外物理研究所（MPE）和法國(guó)航天局（CNES）以國(guó)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(jìn)行后隨跟蹤觀測(cè)。WXT是目前國(guó)際上探測(cè)靈敏度和空間分辨率最高的大視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡，將在軟X射線這一新的監(jiān)測(cè)窗口進(jìn)行大視場(chǎng)、高靈敏度、快速時(shí)域巡天監(jiān)測(cè)。

　　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(tái)空間望遠(yuǎn)鏡？

　　孫勝利用顯微鏡進(jìn)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(yuǎn)鏡，可以研究天體的狀態(tài)，卻無(wú)法看清其動(dòng)態(tài)過程。要了解宇宙的演化過程，就需要更深入的觀測(cè)能力、更廣的觀測(cè)范圍，這正是高能時(shí)域天文學(xué)關(guān)注的主要內(nèi)容。

　　時(shí)域天文學(xué)的主要研究對(duì)象是暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體。暫現(xiàn)源指在短時(shí)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(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)數(shù)量級(jí)式增長(zhǎng)的天體。

　　國(guó)家天文臺(tái)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(shí)，都會(huì)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(jī)性，已有的空間望遠(yuǎn)鏡很難觀測(cè)到。

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

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

　　項(xiàng)目的起點(diǎn)要往回?fù)艿?013年。這一年11月15日，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號(hào)項(xiàng)目“愛因斯坦探針衛(wèi)星”科學(xué)論證啟動(dòng)會(huì)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(tuán)隊(duì)，關(guān)關(guān)難過關(guān)關(guān)過，突破了一項(xiàng)又一項(xiàng)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(jìn)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(chǎng)非常小，均無(wú)法滿足時(shí)域天文學(xué)的發(fā)展需求。

　　1979年，美國(guó)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(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以滿足天文學(xué)家對(duì)大視場(chǎng)的需求，是X射線時(shí)域天文學(xué)所追求的下一代設(shè)備，但因?yàn)榧夹g(shù)難度非常高，設(shè)想提出后數(shù)十年都未能實(shí)現(xiàn)。

　　2010年，國(guó)家天文臺(tái)開始探索微孔龍蝦眼X射線成像技術(shù)研究。“我們最初是打算購(gòu)買國(guó)外的類似設(shè)備，但價(jià)格昂貴，且對(duì)我國(guó)存在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的封鎖?！睆埑贾赋觥?

　　經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，國(guó)家天文臺(tái)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(shí)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(yàn)，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(guó)自主研發(fā)。

　　上海技物所副研究員、WXT載荷主任設(shè)計(jì)師孫小進(jìn)介紹，典型的龍蝦眼MPO鏡片是一個(gè)42.5mm×42.5mm的曲面，曲率半徑為750mm，每個(gè)鏡片上有近100萬(wàn)個(gè)小方格，方格的大小為40μm×40μm，壁的厚度為8μm，光潔度達(dá)到0.83nm，這對(duì)整個(gè)相機(jī)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(cè)器，則是另一大挑戰(zhàn)。20世紀(jì)90年代以來，X射線望遠(yuǎn)鏡一般采用電荷耦合器件（CCD）作為焦面探測(cè)器。但國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)法制造滿足天文需求的科學(xué)級(jí)CCD，進(jìn)口的價(jià)格十分昂貴。此外，以往常用的氣體探測(cè)器，可能會(huì)因?yàn)樘罩械奈⒘餍呛陀钪鎵m埃撞擊而失效。

　　團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）應(yīng)用于探測(cè)X射線光子。盡管CMOS早已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭，但這是國(guó)際上首次將大面陣CMOS探測(cè)器應(yīng)用于天文學(xué)探測(cè)?！拔覀兪褂玫腃MOS探測(cè)器具高性能、高靈敏度、高一致性的特點(diǎn)，且每個(gè)探測(cè)器面積達(dá)6cm×6cm?！绷柚九d指出，“這也是一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新，目前還沒有其他項(xiàng)目使用過這么大規(guī)模的硅基成像探測(cè)器?！?

　　這樣一個(gè)超高精度的“廣角相機(jī)”，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(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡對(duì)速率和性能的要求，是團(tuán)隊(duì)遇到的一大難題。望遠(yuǎn)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(chǔ)下來，再傳到地面上進(jìn)行后續(xù)的分析處理。但EP的原始數(shù)據(jù)量過大，無(wú)法通過星地之間的鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，因此，必須先在衛(wèi)星上進(jìn)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(yùn)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(jí)工程師、WXT載荷軟件主管薛玉龍解釋。

　　團(tuán)隊(duì)曾連續(xù)三個(gè)月，每天工作到凌晨三點(diǎn)，最終實(shí)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(wàn)多倍。

　　“電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)是一件需要嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)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?jí)工程師、WXT載荷探測(cè)器主管顏愛良表示。正式在研制流程的保證和團(tuán)隊(duì)協(xié)同努力下，最終實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到發(fā)射、在軌觀測(cè)全流程的零失誤。

　　凌志興強(qiáng)調(diào)，EP衛(wèi)星項(xiàng)目從理論走向現(xiàn)實(shí)，是精誠(chéng)合作的產(chǎn)物。“這是多維度的合作，包括了國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期合作、中國(guó)科學(xué)院內(nèi)部多個(gè)單位集中各家優(yōu)勢(shì)、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(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K（EP-WXT探路者，后命名為萊婭LEIA）搭載空間新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（SATech-01）發(fā)射升空。該儀器觀測(cè)視場(chǎng)達(dá)340平方度，是國(guó)際上首個(gè)寬視場(chǎng)X射線聚焦成像望遠(yuǎn)鏡，首批在軌實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，單次（約13分鐘）觀測(cè)即可同時(shí)探測(cè)到多個(gè)方向上的X射線源，同時(shí)能夠記錄這些天體X射線輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化的信息以及天體的X射線能譜。在軌測(cè)試完成后，萊婭迄今已取得系列科學(xué)成果。

　　當(dāng)時(shí)，X射線觀測(cè)領(lǐng)域?qū)＜?、英?guó)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(gè)真正的寬視場(chǎng)軟X射線望遠(yuǎn)鏡，萊婭的成功運(yùn)行令人振奮。這項(xiàng)技術(shù)將對(duì)X射線天空的監(jiān)測(cè)帶來變革性的推動(dòng)，這項(xiàng)試驗(yàn)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(cè)圖像發(fā)布，時(shí)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(jì)劃開展并完成在軌測(cè)試，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外合作和數(shù)據(jù)開放共享工作，探測(cè)宇宙中轉(zhuǎn)瞬即逝的“焰火”，為高能時(shí)域天文觀測(cè)和研究做出有顯示度的貢獻(xiàn)。

　　“怎么提升在九游娛樂的游戲體驗(yàn)？”

　　版權(quán)聲明：凡本網(wǎng)注明“來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)、科學(xué)網(wǎng)、科學(xué)新聞雜志”的所有作品，網(wǎng)站轉(zhuǎn)載，請(qǐng)?jiān)谡纳戏阶⒚鱽碓春妥髡?，且不得?duì)內(nèi)容作實(shí)質(zhì)性改動(dòng)；微信公眾號(hào)、頭條號(hào)等新媒體平臺(tái)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系授權(quán)。郵箱：。

　　SEL 重新審視土壤真菌生物標(biāo)志物和轉(zhuǎn)換因子：磷脂脂肪酸、麥角固醇和 rDNA 拷貝數(shù)的種間差異

　　SSCI實(shí)證經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域高品質(zhì)期刊：Journal of Applied Economics