2024年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。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。

EP衛(wèi)星自2024年衛(wèi)星1月9日發(fā)射以來，在軌已經(jīng)109天，星上搭載了國際首臺寬視場X射線望遠鏡（WXT）和1臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。其中，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，對發(fā)現(xiàn)宇宙中的新天體、新現(xiàn)象和新規(guī)律具有里程碑式的意義。WXT由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所與中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合研制，其微孔光學(xué)（MPO）關(guān)鍵元件由北方夜視提供。

WXT載荷負責(zé)人、中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員孫勝利表示，“僅載荷研制工程階段，就歷時7年，團隊從概念驗證開始，將一個個設(shè)想逐步變?yōu)楝F(xiàn)實，將不可能變?yōu)榭赡?，現(xiàn)在這臺望遠鏡終于‘張開了眼睛’，整個過程讓人非常激動和振奮?！?/p>

寬視場X射線望遠鏡是時域天文學(xué)界“團寵”

“在黑洞潮汐瓦解、恒星爆炸、伽馬暴等一系列天文事件中，海量的能量瞬間釋放，產(chǎn)生了大量X射線光子橫掃宇宙，這使得X射線成為觀測這些天文事件最好的窗口。”EP衛(wèi)星首席科學(xué)家助理、國家天文臺張臣研究員介紹到，“由于地球大氣對X射線的吸收，直到許多X射線天文衛(wèi)星被發(fā)射進入太空，天文學(xué)家才得到重要的觀測成果?！奔热惶罩幸呀?jīng)有為數(shù)不少的X射線望遠鏡，為什么我們還需要研制WXT？它又有什么與眾不同呢？孫勝利拿顯微鏡成像進行了類比，“一般的電子顯微鏡能夠看到分子的結(jié)構(gòu)，但它看不清分子的結(jié)構(gòu)是如何變化的。以往的空間望遠鏡，可以研究天體的狀態(tài)，卻同樣無法看清其動態(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?！?/p>

天文觀測中，全天球約為40000平方度，在如此巨大的視場下，想要捕捉并觀察隨機出現(xiàn)、轉(zhuǎn)瞬即逝的“暫現(xiàn)源”，難度可見一斑。因此，只有設(shè)計出針對隨機性事件觀察的設(shè)備，才有可能大規(guī)模發(fā)現(xiàn)和研究這些突發(fā)的天文事件。EP衛(wèi)星WXT首次大規(guī)模采用微孔龍蝦眼X射線成像技術(shù)，由12個寬視場X射線光學(xué)鏡頭模塊構(gòu)成，視場約3850平方度，相當(dāng)于1/11個天區(qū)，填補了國際上在軟X射線波段大視場全天監(jiān)測設(shè)備的空白。

大視場X射線聚焦成像“黑科技”久攻不破

一般光學(xué)望遠鏡是通過光學(xué)器件對入射的光線進行折射或反射，將光線匯聚后在焦面上形成清晰的像。但是對于X射線望遠鏡來說，聚焦成像一直都是“黑科技”。其主要原因是X射線光子能量非常高，很難被改變方向聚集起來成像，這些光子要么被普通的可見光望遠鏡直接吸收，要么直接透射穿過。張臣介紹，目前運行的空間X射線望遠鏡大都基于直線光學(xué)原理，這類望遠鏡靈敏度差，不能發(fā)現(xiàn)絕大部分銀河系外暫現(xiàn)源（伽馬暴除外）。如果采用聚焦型設(shè)備，在觀察弱源的靈敏度上會高出同等規(guī)模的直線光學(xué)型設(shè)備一個數(shù)量級，然而常用的Wolter-I聚焦型X射線望遠鏡視場都小于1個平方度量級，要使用這類設(shè)備在浩瀚宇宙中捕捉暫現(xiàn)源，堪比大海撈針。

早在1979年，美國科學(xué)家Roger Angel就受龍蝦眼全發(fā)射成像原理的啟發(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)可以滿足大視場、高精度觀測的需求，讓天文學(xué)家們大為振奮，但因為研制難度太大，幾十年來大視場“龍蝦眼”相機的空間應(yīng)用始終未能實現(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，最初打算購買國外的類似設(shè)備，但價格極其昂貴，且對我國存在技術(shù)和經(jīng)濟方面的封鎖，舉步維艱。

十幾年磨一劍 打造國際首臺高精度X射線“廣角攝像機”

自主研制“龍蝦眼”相機究竟難在哪兒？WXT 載荷主任設(shè)計師、上海技物所副研究員孫小進介紹，“典型的一片龍蝦眼型微孔光學(xué)元件（MPO）是由玻璃材質(zhì)制作而成的球面薄片，上面整齊排列著100多萬個比頭發(fā)絲還細的正方形通道，邊長約40微米，壁厚只有8 微米，內(nèi)壁光潔度要達到1納米以下。除了關(guān)鍵元部件的挑戰(zhàn)，沒有X射線光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)測試平臺是個讓人‘頭疼’的問題?！蓖ǔ９鈱W(xué)系統(tǒng)在集成過程中，需要模擬載荷的實際工作狀態(tài)，邊裝配邊調(diào)試以保證每個光學(xué)部件達到理想精度，才能實現(xiàn)最佳的成像效果。但由于X射線“看不見，摸不著”，且難以進行折射與反射，科研人員在進行WXT集成裝調(diào)的過程中，無法使用真實的X射線平行光進行調(diào)試，這就好比被“蒙上了雙眼”。這樣苛刻的條件下，比如要實現(xiàn)48個探測器組件（4個一組）在空間三維尺度上達到0.05毫米的拼接精度，幾乎是不可能完成的任務(wù)。

經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，WXT研制團隊終于實現(xiàn)了“從無到有，從落后到趕超”：成功研制出了MPO龍蝦眼X射線光學(xué)組件；國際上大規(guī)模首次采用大面陣硅基CMOS探測器用于X射線天文探測；創(chuàng)新性地采用望遠鏡熱量回收管理技術(shù)和在軌觸發(fā)式處理技術(shù)；自主探索出基于可見光的“離線裝調(diào)”技術(shù)，精確反演出載荷在軌性能；EP探路者試驗?zāi)K（LEIA）在軌成功獲取國際上首幅宇宙大視場X射線聚焦成像天圖……終于，團隊成功研制出了完整的WXT，該設(shè)備所有關(guān)鍵器件均為我國自主研發(fā)。

同步實現(xiàn)高性能、低資源、低功耗 細節(jié)之處見真章

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？WXT的峰值數(shù)據(jù)率為25.3 G，相當(dāng)于每秒生成25部1 G的電影。由于原始數(shù)據(jù)量過大，無法通過星地之間的鏈路進行傳輸，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。WXT載荷軟件主管設(shè)計師、上海技物所高級工程師薛玉龍介紹，“EP衛(wèi)星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是關(guān)鍵”。團隊連續(xù)三個月，每天工作到凌晨三點，最終將處理后的速率最終降低為5.127 Mb，在軌每秒可在150億個像素中提取約1000個有效像素信息！

此外，為了更好實現(xiàn)高性能、低資源和低功耗之間的平衡，團隊還創(chuàng)新性的采用了望遠鏡熱量回收管理技術(shù)以降低能耗。WXT載荷熱控主管設(shè)計師、上海技物所工程師李軍飛介紹，“載荷電子學(xué)部件工作時會產(chǎn)生熱量，我們回收并利用這部分熱量為光學(xué)系統(tǒng)提供保溫，以防止MPO鏡片發(fā)生熱變形。最初整星需要為WXT提供270W的熱控功耗，并且需要1.8平米輻射板供電子學(xué)散熱，通過熱量回收設(shè)計，WXT控溫功耗降為115W，并減少了散熱板面積，為整星減輕了重量并保障了大視場觀測需求。同時，在軌烘烤階段，WXT采用分組烘烤及錯峰措施，將烘烤階段峰值功耗由984W減小到424W以下?！?/p>

精誠合作的產(chǎn)物 開放共享的典范

EP衛(wèi)星項目從理論走向現(xiàn)實，是精誠合作的產(chǎn)物。WXT載荷科學(xué)家、國家天文臺研究員凌志興強調(diào)，“這是多維度的合作，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。”

WXT是龍蝦眼光學(xué)第一次在空間項目中的大規(guī)模應(yīng)用，也是龍蝦眼光學(xué)第一次投入真正意義上的天文觀測研究。在軌測試期間，EP兩臺有效載荷就獲取了多組宇宙天體的X射線科學(xué)觀測數(shù)據(jù)，已探測到新的暫現(xiàn)源17例、恒星耀發(fā)168例，并發(fā)布全球電報10余條，引導(dǎo)國際上包括最大的Keck等多個光學(xué)和射電望遠鏡、空間 X 射線天文臺開展了后隨觀測。探測到的新暫現(xiàn)源具有不同的起源類型，有潮汐瓦解恒星事件（TDE）、伽馬射線暴、新的磁激變變星、新的X射線雙星等，觀測結(jié)果得到了國際同行的高度認可和關(guān)注，為國內(nèi)外地面和空間望遠鏡協(xié)同觀測提供了重要的指引。X射線觀測領(lǐng)域?qū)＜摇⒂R斯特大學(xué)教授Paul O'Brien和Richard Willingale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。這項技術(shù)將對X射線天空的監(jiān)測帶來變革性的推動。”

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。

寬視場X射線望遠鏡（WXT）指向銀河系中心的觀測圖像（X射線數(shù)據(jù)版權(quán)EP科學(xué)中心）

寬視場X射線望遠鏡（WXT）首次報告的暫現(xiàn)源（X射線數(shù)據(jù)版權(quán)EP科學(xué)中心）

EP衛(wèi)星寬視場X射線望遠鏡（WXT）研制團隊主要成員在西昌衛(wèi)星發(fā)射基地合影

電子學(xué)設(shè)計師程志瑋、顏愛良、薛玉龍，在單機電測現(xiàn)場對軟件及測試結(jié)果進行分析討論

電子學(xué)設(shè)計師顏愛良進行探測器組件電路測試

寬視場X射線望遠鏡（WXT）子模塊

裝調(diào)中的龍蝦眼光學(xué)系統(tǒng)

寬視場X射線望遠鏡（WXT）子模塊裝調(diào)

撰稿、編輯：行政辦公室