半個世紀等待!清華大學團隊重啟天文軟X射線偏振探測窗口

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  2018年10月29日,清華大學主導的空間天文項目“極光計劃”發射升空。

  同年12月18日,極光計劃的探測器開啟高壓投入運行,成功探測到瞭空間X射線。

  作為一門觀測驅動的科學,天文學的發展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段。清華大學天文系及工物系馮驊教授研究團隊十年磨一劍,成功通過立方星發射並運行近半個世紀以來第一個專門的空間軟X射線偏振探測器。這也是工物系過去10年發展高能天體物理、推動學科交叉的結果。

  以“年”為單位的長期觀測,也給團隊帶來意外收獲。

  2019年7月23日,蟹狀星雲脈沖星發生的一次自轉突變。同時,探測器捕捉到偏振信號變化。

  2020年5月11日,《自然·天文》雜志封面刊登馮驊課題組與合作者共同完成的最新成果:在衛星上經過1年的觀測,X射線偏振探測器探測到來自蟹狀星雲及脈沖星的軟X射線偏振信號,並首次發現瞭脈沖星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化,說明在此過程中脈沖星磁場發生瞭變化。

  這一探測結果也標志著,由於技術困難停滯瞭40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啟。


“極光計劃”立方星和探測器結構示意圖

X射線偏振探測:看宇宙中的3D場景

  探測X射線偏振,我們在測什麼?

  “偏振”和光的顏色(波長)都是電磁波的基本屬性之一。戴上偏振眼鏡看3D電影,即是生活中常見的偏振原理應用。

  “X射線也是電磁波的一種。我們希望在X射線波段看宇宙的3D場景——並不是像影院一樣看到3D圖像,但確實是一個新的探測維度。”馮驊解釋,“黑洞、中子星這類非常極端的天體雖然光學輻射很弱,卻是很強烈的X射線輻射體。由於X射線波長非常短,不存在像可見光偏振片那樣合適的濾鏡,X射線偏振的測量變得極其的困難。但利用X射線偏振測量,我們能夠獲得高能輻射區域磁場方位、天體的幾何對稱性,從而進一步理解與黑洞、中子星等密切相關的天文現象的物理過程發生機制,對高能天體物理而言意義重大。”

  於是,早在1968年,美國科學傢就率先開展瞭天文X射線偏振探測,並在1971年發射的探空火箭上完成瞭247秒的曝光,第一次發現蟹狀星雲的X射線輻射可能具有高度線偏振,並在1975年上天的OSO-8衛星上完成瞭首次精確測量。

  然而,40多年過去瞭,科學傢們不斷論證X射線偏振的用處,預言探測偏振對天體物理的科學價值,卻再也沒有第二個X射線偏振探測設備在空間運行。探測靈敏度不足,被認為是X射線偏振技術的主要瓶頸之一。

  技術轉機出現在2001年。隨著核探測技術的發展,意大利科學傢證實瞭一種新型粒子探測技術可用於高靈敏度X射線偏振測量。這為X射線偏振測量帶來瞭“一種近乎理想的探測技術”。

  2009年,回到清華大學任教不久的馮驊開始帶領團隊,在國際合作的基礎上,對X射線偏振探測技術進行探索和改進。

馮驊教授在實驗室

  在實驗室:制長壽命、高性能探測器

  2010年初,第一次向馮驊請教的工程物理系學生李紅,對X射線偏振可以說知之甚少,但聽完老師的介紹,李紅被迅速“安利”:“一方面對研究方向很感興趣,另一方面也發現本科階段關於核科學核技術方面的知識積累其實可以應用到天文研究領域。”

  以本科畢業設計為起點,李紅跟隨馮驊老師攻讀博士學位,全心投入到偏振測量方法和儀器研究中。“在X射線偏振探測發展的停滯階段,又恰逢新技術的出現,我們更希望做前沿性工作。”李紅說。

  在實驗室研究階段,團隊的目標就一直是“做出能夠滿足空間應用需求的長壽命、高性能”的探測器。這種新型X射線偏振探測器外形大致如一個火柴盒大小,傳感器面積大概相當於一枚硬幣。探測方案在初期就已經明晰:X射線通過鈹窗進入探測器,與探測氣體發生光電效應產生光電子。通過測量運動的光電子穿過氣體留下的二維徑跡,推斷出入射X射線的偏振信息。

潔凈間實驗場景

  然而,單是探測氣體密封在“火柴盒”內,實現長期穩定的工作性能,就花瞭團隊整整兩年時間。

  實驗初期做出的探測器,總是在短時間內就被燒壞——核心部件氣體電子倍增器(GEM)因高壓放電被擊穿。在著急忐忑卻找不到性能下降的原因時,馮驊曾經告訴團隊,做實驗的時候不要害怕“搞破壞”,“弄壞東西並找到原因說明你的嘗試有效果。”

  通過反復的測試研究,氣體純度這一“罪魁禍首”被發現。由於探測器是一個密閉環境,當純凈的探測氣體充入後,探測器結構材料表面吸附的雜質氣體會慢慢釋放,使得探測氣體純度下降,從而引起性能衰減,嚴重時就會“燒毀”探測器。

探測器封裝檢查

  掌握“閉氣型氣體探測器的封裝技術”的過程,是一個徹徹底底的學科交叉工程。超高真空技術方面的問題,團隊請教過中國計量科學研究院和校內凝聚態物理方面的專傢;結構材料方面的問題,參考航空航天材料標準,經過再三地測試對比,篩選出滿足結構強度的、極低出氣率的材料;探測器封裝環境方面有差距,則搭建超凈室、進行烘烤除氣,想方設法降低雜質成分;還找到專屬研究院進行氣體提純工作,將氣體純度從市面上常見的99.9%提高至99.999%……

  至此,團隊邁出重要一步:成品探測器實現瞭長壽命的要求,從最初隻有約30分鐘的工作壽命,到封好之後5-10年性能都不會改變。

  2017年,團隊高靈敏度、低系統誤差的X射線偏振探測器在實驗室研制成功,並且通過瞭一系列空間環境模擬試驗的檢驗。

團隊研制出的探測器

  巧合的是,那一年,商業航天在中國興起,為新探測技術和方法的飛行驗證提供瞭更多可能性,由清華大學牽頭研制的空間實驗“極光計劃”應運而生。“極光計劃”之名PolarLight,縮寫自輕型偏振儀(Polarimeter Light),也源於其研究對象偏振這一“極化的光線”的簡稱——極光。以此為名,希望利用微納衛星平臺在衛星軌道上直接驗證X射線偏振探測技術,從而提高技術成熟度,為未來的空間天文探測所用。

  “空間工程是一次性的高風險項目,哪怕有一個虛焊電阻,升空前未能排查出來,整項工作就會宣告失敗。從實驗室測試、基地發射,到空間調試開機和運行,每一個環節都不容錯。”馮驊深知空間天文的不易,也對團隊充滿信心。

  2017年國慶前,第一版本的空間載荷研制完成。一年的緊張調試和標定後,終於在2018年10月29日,“極光計劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號”立方星上,在酒泉衛星發射中心成功發射到近地軌道上。11月6日,探測器加電自檢成功。經過多輪調試,12月18日開啟高壓投入運行,工作狀態正常。“極光計劃”首光,團隊迎來瞭真正意義上的慶祝時刻。

  脈沖星突變:

  做專一的、以“年”為量級的研究

  如今,“極光計劃”團隊,也不過馮驊這位帶頭人,一名工程師,一名博士後和3-4名學生的規模。

  團隊雖小,在技術支持和數據處理方面的分工運轉,也和空間中的立方星一樣有條不紊。

  來自物理系的龍翔雲,興趣使然,大二即加入瞭馮驊參與指導的學生項目“天格計劃”,積極建設伽馬暴探測網絡。2019年,龍翔雲從本科畢業設計起轉向“極光計劃”,並繼續跟隨馮驊老師讀博。

  過去的一年多,龍翔雲為探測器編寫“日更”指令集,已經完成3000多次開關機指令。

  “我每天都會為探測器提供‘明日工作計劃’,通過衛星公司上傳至空間。以蟹狀星雲脈沖星的位置信息為基礎,結合衛星軌道信息,目標源、衛星和地球的相對位置,形成開關機、轉向等指令,保證探測器避開高通量高能粒子的損傷,星敏感器一直指向星空。”

  衛星日常運行設計,超出瞭團隊專業范圍;控制程序設計,對於物理系龍翔雲來說也屬跨界。“為瞭最大化觀測效率,和馮老師商量後,我們決定自主設計運行程序。”雖然笑言python寫起來比較流暢,但修補bug也在前期也消耗瞭不少功夫。龍翔雲說:“目前程序已經實現高度自動化,每天隻需5分鐘即可完成。”

  2019年3月,探測器進入常規觀測,盯準瞭蟹狀星雲脈沖星。似“時鐘”般運轉精確的脈沖星常會在某一個時間點發生一次自轉周期突變,然後慢慢恢復,這種自轉突變是一種有待研究的天文現象。7月23日,蟹狀星雲脈沖星的自轉突變被X射線偏振探測器捕捉。“我們觀測到,經過幾十天,脈沖星的偏振信號又慢慢恢復,這一新的發現有助於理解脈沖星、也就是中子星的內部結構。”伴隨“極光計劃”重回團隊做博士後研究,李紅稱這是自己“最大的驚喜”。這篇登上《自然·天文》封面的成果被審稿人稱為“高能天體物理領域期待已久的成果”

蟹狀星雲的X射線圖和

探測器直接測到的電子徑跡圖像

  然而,數據的處理和解釋也頗費瞭一番功夫。

  “在偏振計算之外,我們還需折疊出蟹狀星雲的脈沖相位。蟹狀星雲的脈沖約為33毫秒一個周期,為瞭提高信噪比,我們需要把所有觀測數據按脈沖周期疊加後得出結論。”疊加過程中的時間矯正又一次“超綱”,查閱資料後的嘗試效果並不明顯,龍翔雲還專門向高能所葛明玉老師請教。最終經過4周程序設計,完成時間矯正工作。

  “團隊雖小,五臟俱全。”龍翔雲說,大多數成員都是因興趣加入的,每周組會和靈活討論中,來自工程物理和物理等各院系的成員們發散討論、相互促進:“在項目推進中學以致用,我們都希望懂得更多一些”。

  在馮驊看來,某些科學問題需要對一個科學目標進行長期的跟蹤與觀測,“極光計劃”使用的立方星恰好成為瞭大型天文項目的一種彌補手段。“極光計劃還為我們的人才培養和交叉研究提供瞭很好的平臺。一個完整天文項目的經歷,能夠極大豐富同學們的學術訓練。此外,我們的立方星同時裝載瞭清華大學學生項目‘天格計劃’的首個探測器。”馮驊說。

馮驊(左)與博士後李紅進行數據分析討論

  這個特殊的寒假,留守實驗室的李紅、居傢的龍翔雲和其他成員都跟上進度,推動著“極光”系列的運行和發射計劃。說起“極光計劃”的未來,團隊成員都紮實而樂觀。

  “觀測中的驚喜,來源於我們步步積累出創造偶然的基石。”龍翔雲說,蟹狀星雲脈沖星之外,探測器對人類發現的第一個宇宙X射線源“天蠍座X-1”也有一些數據積累,並將納入下一步工作計劃。“可能源於《三體》的影響,我對天文廣闊研究對象的向往,賦予瞭自己更大的研究動力。”

  “天文學的理論突破往往建立在新的觀測基礎之上。”李紅說,觀測結果再次說明瞭我們對遙遠星體進行偏振測量的不可替代的作用。通過極光在軌狀況分析,大傢也對探測器的升級改造有瞭更多想法。更多的數據可能意味著全新的發現,希望我們對今後的項目產生積極推進作用,吸引更多喜歡天文的人投入科學研究。

  “我們與合作夥伴共同完成的極光計劃證明瞭第二代X射線偏振探測技術的強大能力。”馮驊介紹,“極光計劃”所采取的技術,將被應用到預計2027年發射的我國下一代大科學工程“增強型X射線時變與偏振天文臺(eXTP)”上。