科技日報記者 吳葉凡
6月26日，一個重磅發(fā)現(xiàn)吸引了全球天文愛好者的目光。中國科學院國家天文臺發(fā)布消息，“天關(guān)”衛(wèi)星成功捕捉到一個轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙X射線信號，為揭示恒星死亡過程提供了全新視角。
“天關(guān)”衛(wèi)星是一顆面向時域天文學的發(fā)現(xiàn)型X射線天文探測衛(wèi)星。它是“宇宙焰火”的精準“捕手”，在軟X射線波段開展高靈敏度實時動態(tài)巡天監(jiān)測，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)星是國際首顆大視場X射線成像衛(wèi)星。其總設計師張永合與國內(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，張永合接受科技日報記者采訪，講述“天關(guān)”衛(wèi)星背后的攻關(guān)歷程和團隊成長故事。
破解觀測難題
記者：請您介紹下“天關(guān)”衛(wèi)星名字的由來。
張永合：我國很多空間科學衛(wèi)星都有一個結(jié)合中華文化和現(xiàn)代科技的名字，比如墨子號、悟空號、夸父一號等。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)了一個很亮的爆發(fā)源，當時北宋的司天監(jiān)觀測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。
雖然我國最早記錄了天關(guān)客星，但在現(xiàn)代天文研究中，對其的觀測工作一度依靠國外的設備，例如錢德拉X射線天文臺、哈勃空間望遠鏡等。“天關(guān)”衛(wèi)星的出現(xiàn)打破了我國在這一領(lǐng)域的“缺席”局面。歷經(jīng)千年，我們中國人用自己研制的設備，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“對視”。
張永合：是的，我們常說中國“天關(guān)”，一眼千年。這句話其實有兩層含義。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，我國天文觀測能夠再續(xù)輝煌。在古代，我國天文學家用眼睛來看，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)星的主要任務是什么？
張永合：“天關(guān)”衛(wèi)星的主要任務，是在軟X射線波段開展觀測，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，無論白天晚上都能被看到。但這樣的亮度持續(xù)了23天，后面就一點點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間內(nèi)突然出現(xiàn)極大增長的天體。
記者：觀測暫現(xiàn)源和劇烈爆發(fā)天體的目的是什么？
張永合：科學家們認為，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，它們在爆發(fā)時產(chǎn)生的能量非常大，能夠把這些關(guān)鍵信息傳播得更遠、更久。通過觀測工作，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。愛因斯坦廣義相對論中有關(guān)于黑洞、引力波的相關(guān)預言。而產(chǎn)生引力波時，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)整觀測角度，監(jiān)測是否有與引力波相對應的電磁輻射信號，使研究人員能夠進一步探索神秘的黑洞和引力波。
打造“全能冠軍”
記者：對比國際上其他觀測暫現(xiàn)源的設備，“天關(guān)”衛(wèi)星有哪些特點？
張永合：相比國際同類衛(wèi)星，“天關(guān)”衛(wèi)星有三個突出特點：大視場、高靈敏、準定位。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)星還能將其精準定位，定位精度可以達到1角分。目前國際上能同時做到大視場和高靈敏的軟X射線探測衛(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設備進行信息交互。它還搭載了兩個焦距達1.6米的后隨X射線望遠鏡，能看到更深遠的宇宙空間。因此，我們也形容它為兼具“廣巡視、精捕捉、快響應、深觀測、速聯(lián)網(wǎng)”優(yōu)點的五項全能冠軍。
記者：為了成為“五項全能冠軍”，科研團隊進行了哪些創(chuàng)新設計？
張永合：可以說“天關(guān)”衛(wèi)星是一顆逐步成長的衛(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。一個數(shù)據(jù)可以說明其性能的不斷提升：在立項初期，“天關(guān)”衛(wèi)星的設計重量僅有1噸，等到發(fā)射的時候它的重量已達1.4噸。
例如，為了實現(xiàn)“廣巡視、精捕捉”，我們創(chuàng)新使用了“大眼”+“小眼”的設計。“大眼”是指12臺軟X射線望遠鏡（WXT）模塊。通過運用“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，還實現(xiàn)了觀測靈敏度和空間分辨率1至2個數(shù)量級的提升?！靶⊙邸笔侵竷膳_后隨X射線望遠鏡（FXT）。它的視場雖然不到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”。
為了實現(xiàn)“大眼”“小眼”的快速切換、精準配合，我們在衛(wèi)星上設計了全自主的探測、處理、定位、機動、信息分發(fā)響應流程，能夠自主識別與分析暫現(xiàn)源，自動排列優(yōu)先級，實時發(fā)布暫現(xiàn)源位置及光子信息并觸發(fā)衛(wèi)星機動；還配置了6個大力矩反作用飛輪，保證后隨望遠鏡能夠即時指向龍蝦眼望遠鏡發(fā)現(xiàn)的暫現(xiàn)源，開展后隨深度觀測。
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)。簡單來說，“天關(guān)”衛(wèi)星的成像原理類似光學相機，要對“光”進行聚焦和處理。但難點在于，常規(guī)光學器件無法聚焦“天關(guān)”衛(wèi)星收集的軟X射線?？茖W家們想到了龍蝦的眼睛。龍蝦眼是反射式復眼，由上千個“小眼”（多個獨立光學單元）組成，這樣的結(jié)構(gòu)帶來了大視野和較強的聚光能力。
仿照龍蝦的眼睛，載荷團隊在軟X射線望遠鏡上應用了微通道光學（MPO）成像技術(shù)。12個望遠鏡共配置了432個MPO鏡片，每個MPO鏡片上面分布著上百萬個微小的方孔。X射線光子在進入小孔后，會在光滑的微通道內(nèi)壁上發(fā)生全反射，并在背照式CMOS探測器上聚焦成像。這樣，“天關(guān)”衛(wèi)星就有了幾億個接收宇宙深處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。
張永合：是的，“天關(guān)”衛(wèi)星像一朵盛開的蓮花，2臺后隨望遠鏡是“花蕊”，12臺龍蝦眼望遠鏡是“花瓣”。它們高低錯落分布，凝視著不同天區(qū)。一塊高聳的遮陽板將這朵“蓮花”保護起來，有效阻止了太陽光線對儀器觀測造成干擾。
值得一提的是，在最初的兩版方案中，并沒有這把“遮陽傘”。隨著研究的深入，科學家們希望觀測一些靠近太陽的目標。當時距離投產(chǎn)僅剩幾個月。為了不讓衛(wèi)星帶著科學家的遺憾上天，我們給衛(wèi)星動了一次“大手術(shù)”，增加了遮陽板，同時采用了全桁架式光學平臺，將12臺龍蝦眼望遠鏡傾斜起來，避開遮陽板的干擾，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)動地面設備和其他衛(wèi)星，實現(xiàn)有效信息的共享，以達到更好的觀測效果。為了讓“天關(guān)”衛(wèi)星快速與其他設備“說上話”，我們應用VHF與北斗短報文系統(tǒng)，建立起“天關(guān)”衛(wèi)星實時通訊關(guān)系網(wǎng)，實現(xiàn)了與全球天文觀測設備的一體化“互聯(lián)”模式。
VHF是法國空間研究中心建設的一個地面VHF波段實時接收網(wǎng)絡，我們可以借助它將“天關(guān)”衛(wèi)星的觀測結(jié)果快速發(fā)送給其他設備。北斗短報文系統(tǒng)則類似于互發(fā)短信的形式，僅需幾個字節(jié)就能將重要目標的天文位置坐標發(fā)到“天關(guān)”衛(wèi)星上。
后續(xù)，我們還計劃進行軟件升級優(yōu)化，提升“天關(guān)”衛(wèi)星和中法天文衛(wèi)星等其他設備的通訊交流效率。
培育新生力量
記者：衛(wèi)星是一個極為復雜的系統(tǒng)?！疤礻P(guān)”衛(wèi)星的研發(fā)、運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隊，骨干成員年齡在三十歲左右。團隊總規(guī)模近百人，包括衛(wèi)星設計、載荷設計、計算機、機械、電子信息等專業(yè)的人才。研制空間科學衛(wèi)星是一個不斷獲得新認識的過程，每當遇到問題，我們都會在一起探討，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，我不斷向天文學家們學習天文知識，同時了解他們對衛(wèi)星的需求。通過掌握相關(guān)知識，我能夠在優(yōu)化設計方案、提升衛(wèi)星性能的同時，做好潛在風險的評估。
記者：空間科學衛(wèi)星是國際航天領(lǐng)域科技制高點，您認為我們需要怎樣的空間科學人才？
張永合：首先，我們需要具備全球視野的天文學家，他們能夠提出關(guān)鍵的、前瞻性的科學問題，引領(lǐng)空間科學發(fā)展。其次，我們需要一批理解天文學的衛(wèi)星系統(tǒng)工程師，他們屬于跨界人才，讓天文學和工程技術(shù)兩個領(lǐng)域“手牽手”，我扮演的就是這一角色?？臻g科學人才還要能夠與全球的科學家開展合作交流。
此外，我們還需要一批新生力量?？臻g科學衛(wèi)星的研制時間很長，遇到的問題都很新?！疤礻P(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、愿意長期專注這一領(lǐng)域的后備力量。
記者：您認為應該如何培養(yǎng)優(yōu)秀的空間科學人才？
張永合：我覺得應當進一步豐富空間科學相關(guān)項目的數(shù)量和種類，增加經(jīng)費投入，在實戰(zhàn)中培養(yǎng)人才。如今我們國家對空間科學領(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目，比如立方星、微小衛(wèi)星等。我們需要在這些小項目中歷練人才。
此外，中國航天事業(yè)發(fā)展至今，取得了很多經(jīng)驗。但是空間科學的理念和傳統(tǒng)航天存在一定區(qū)別，比如應用類的衛(wèi)星往往在設計之初就定好了工程指標，而空間科學衛(wèi)星的工程指標是隨著認識的深入不斷調(diào)整的。因此，我認為在培養(yǎng)人才的過程中，要注重區(qū)分兩者不同，培育面向未來、面向國際的空間科學人才。
記者手記
采訪張永合的過程中，一個問題一直縈繞在我腦海：一個控制專業(yè)出身的總設計師，是如何做到既懂工程設計又了解天文的？
采訪快結(jié)束時，我忍不住好奇向張永合拋出了問題。沒想到答案很簡單：總設計師做的就是跨界工作，不斷向科學家們學習是他的必修課。
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)星項目啟動時，他不僅有了一定的天文知識儲備，更重要的是學會了把科學家的需求轉(zhuǎn)化為工程技術(shù)設計方案。
人類對宇宙的探索永無止境。對于科學家提出的研究需求，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，再高一點。
空間科學衛(wèi)星研制通常耗時數(shù)年，需要研究人員沉住氣、坐得住。一名科研工作者，衛(wèi)星立項的時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。
