冥冥之中，跨越了千年，
我们宋代的记录跟我们自己的记录
通过“天关”联系在了一起。
格致论道第117期 | 2025年1月18日 北京
大家好，我是张臣，来自中国科学院国家天文台，今天想和大家分享关于一颗卫星的故事。
这是由中国空间科学先导专项资助的一颗卫星，它一度被称为“爱因斯坦探针”（EP）。但是交付以后，它就有了一个新的名字——“天关”。“天关”上面有两个载荷。中间的载荷是后随X射线望远镜，叫“风行天”。外侧像花朵一样的是宽视场X射线望远镜，我们给它取了一个昵称，叫“万星瞳”，也就是我们今天故事的主角。“天关”是中国古代的天文学家给金牛座中一颗恒星起的名字。在1054年的时候，我们观测到天关附近有颗大质量的恒星爆炸了。于是宋代天文学家写下了：“客星晨出东方，守天关”，这就是天关客星。这颗恒星爆炸千年之后的今天，我们仍然能从光学望远镜中看到了它壮丽的坟墓，也就是著名的蟹状星云。然而，如果我们用X射线望远镜去看，就能看到这片星云中间的中子星和它制造的星风。靠着中子星自旋的减速，这个星云闪耀了上千年。这就是X射线天文学的魅力。我们能够透过它看到我们肉眼看不见的东西，了解天体的本质。▲左：白矮星剥夺伴星气体（图源：NASA/CXC/M. WEISS）
右：黑洞潮汐瓦解恒星（图源：Tidal disruption event - Wikipedia）
在1054年这颗恒星爆炸的时候，我们预测那时在天上能看到一个比太阳更加明亮的X射线源。它很快地出现又很快地消失，我们称之为暂现源。由于X射线的产生机制，X射线天文学往往跟这种活动性最强也是最极端的环境相关。比如黑洞吞噬恒星，中子星、白矮星吸积周围的物质等。这就给天文学家和物理学家提供了一个地球上完全无法复现的极端的实验室，这也是为什么天文学家们总想逮到这些“宇宙焰火”。但是，如果想在地球上观测X射线星空，我们什么也看不见，因为大气层把我们保护得太好了。只有到了航天时代，我们把卫星和载荷送到大气之外，X射线天文学才真正地诞生并发展了起来。这就有一个问题。X射线光子的粒子性太强了，一个X射线光子的能量大概相当于几千个可见光光子的能量，所以我们无法使用传统的光学设备，比如左图中这样的镜头对它进行汇聚成像。这也是为什么我们在医院看到的X光底片（现在都是数字化X射线技术，DR，这里指其使用的数字底片）都是如此大，比传统的相机胶片要大很多。
天文上唯一实用的方式就是掠射：X射线入射到一个与它近乎平行的反射面上时，就会像打水漂一样发生反射。这个红色的线画得比较夸张，但实际上X射线的方向变化非常小。除此之外，由于X射线波长非常短，所以我们需要一个超光滑的反射面，反射精度要达到原子级。也就是说，这个反射面上一个原子的凸起都是不被允许的。
▲左：掠射成像示意图（NASA/CXC/D. Berry）而由于反射面和入射光几乎平行，我们又需要有足够多的光子来供我们研究，这就需要把这些反射面嵌套起来。这就是传统上用于成像的X射线望远镜的基本原理。右图就是钱德拉X射线天文台（Chandra），这是迄今为止X射线领域最好、最贵的望远镜。但是它的缺点是什么呢？视场太小了，小到几乎没有可能抓住暂现源。因为暂现源的出现是随时随处的，在任何时候，任何地方都可能出现，那只有用一个视场很宽的望远镜才能抓住这些暂现源。▲左：https://www.nasa.gov/topics/technology/features/lobster-eyes.html右：J. Comp. Physiol., A175, 749-759,1994把时间回溯到1979年。当时美国的罗杰·安吉尔（Roger Angel）教授看到了一张龙虾眼的显微照片。大家看，龙虾眼跟人眼很不一样，人眼靠折射成像，而龙虾的眼睛上遍布方孔型的结构，它是靠反射成像的。 ▲Lobster eyes as X-ray telescopes
Angel, J. R. P.
ApJ, vol. 233, 1979, p. 364-373.
这就给安吉尔教授了一个启示，他认为这样的结构可以提供X射线宽视场成像。在一个球面上密布这样内壁很光滑的方孔型结构，当X射线在邻近的两个壁发生两次反射以后，就会形成中间圆形的一个像斑。如果光线只在反射壁上发生一次反射，则就会形成龙虾眼典型的十字形像斑。但是，这样的原理提出来之后的30多年里，都没有人做出真正能投入天文观测的“龙虾眼”望远镜。在2010年的时候，我的导师张双南老师在国家天文台成立了X射线成像实验室，之后我们就开始了这种望远镜的研究。其中的难点在什么地方呢？这是我们的镜片。看起来是一个平平无奇的玻璃片，但是如果我们把它放到显微镜下，就可以看到上面密布着这样的方形结构，跟龙虾的眼睛真的非常相似。其中每一个方形小孔的边长都只有40微米，大概就跟一根粗点的头发丝差不多。而在这个镜片上面，就有大概将近百万个这样的微孔。要真正做这种微孔的高精度加工，是一件非常困难的事情。我手上拿到的是我们实验室的第一个“龙虾眼”光学镜片，是我们从国外合作者那里拿到的。那个时候，这个镜片的价格大概是我一年的工资。照片中的我比现在演讲的我可能还要更紧张一点。所以图里我右手是虚托着的，就怕把它掉到地上。当时在世界上，只有一家法国公司能够做出这种镜片，跟他们谈判时我们处于绝对的劣势。当我们第一次拿到他们产品的时候，我们都惊呆了。因为我们发现其中有一半的镜片是不能用的。接着我们又跟他们谈判，说我们“天关”上面需要400多个镜片，你们要怎么办？他们说他们不能承诺交货时间，不能承诺交货地点，也不能承诺交货的质量。这个时候，北方夜视这家国内的公司找到了我们，说他们也在做这个，请求合作。他们是一家国企，他们的责任感使他们下定决心一定要把这件事做出来。我们看一下龙虾眼镜片到底是怎么做的，它的制作方法真是非常巧妙的。先给方形玻璃管里套上一个玻璃柱，然后把这两个复合体热熔以后拉丝，拉丝以后叠在一起再拉，这就称之为复丝。之后我们把这些复丝排列熔压到一块，然后切片。这时候最精华的部分来了，中间的玻璃柱实际上是不耐腐蚀的，我们把它丢到先酸后碱的溶液里面，把中间的玻璃柱子腐蚀掉，剩下的就是外面的玻璃皮儿，这样就构成了像龙虾眼一样的蜂窝状结构。这是一位女性工艺人员正在把她左手上各种各样的丝插到模具里面，这样才能够排列出一个很好的产品。在工艺线上有很多这样的女性工艺人员，她们手更巧、心更细。这是我们的起点，是我们“万星瞳”的光学镜头技术验证件，上面银色的部分都是进口的，黑色部分是我们的。第一批次产出的时候，我们的镜片质量相当差。如果没有跨越式的发展。这是绝对不能用到卫星上的。但是，我们的同事和团队非常努力，让镜片质量不断提升，到最后我们就“凤凰涅槃”了。现在，我们的镜片出口到了美国、德国、英国、日本。我们做到了。有了镜片之后，还得把镜片安装到支架上，才能做成完整的镜头。这个安装的精度有多高呢？在垂直方向上，它的误差不能超过头发丝的1/10。还有一个问题，镜片非常软，拿起来的时候就变形了，成像就会畸变。而上天是要经过发射段剧烈震动的，所以我们在做振动实验的时候，要用大螺栓把它紧紧固定在上面。这些难题要求我们必须要做到轻拿轻放、精确安装，还要固定可靠。这样的要求，我们是靠一个全自动化的装调设施做到的。我们使用机械手把这些镜片精确地放置到相应的位置上面，然后轻轻地点上胶水。24个小时以后胶水凝固，镜片就牢牢地粘在框子上面了。凭借这套设施，我们在1年内做了12套镜头。而国外合作者的速度呢？1年1套。我们刚才也提到，龙虾眼望远镜自概念诞生以来，就获得了天文学家们的高度关注。当知道我们这颗卫星要立项的时候，欧洲空间局就找到了我们寻求合作，他们想加入我们的项目。那么，既然要国际合作，那我们的产品肯定不能只由我们自己来验证。于是，我们跟他们商量好，决定到他们指定的机构去测试，由他们来操作数据处理和测试，我们不用到场。当时我们自己也很自信，于是就把我们的产品送到了英国莱斯特大学。第一次测试后，他们就在会议上“打”了我们的脸，说他们的测试结果跟我们的测试结果差了很多，他们复现不了那么好的测试结果。当时我们很抓狂，第二天就到英国去了。到了英国的两三天后，我们就发现实际上是他们做错了。为什么？因为我们的镜片质量远超出他们的想象，他们设置的测试系统无法给出正确的测试结果。我是真的很郁闷，于是就找到他们的负责人，跟他们好好地聊了一天，把他们的经验全部“挖”了一遍，然后带着这些经验回国了。第二次测试，我们去了德国的潘特（Panter）X射线束流测试设施，这是世界级的权威机构。我们把镜头送过去后测试出了很漂亮的结果，他们说是教科书般的结果。但是我们其实还是犯了错误。大家看红圈里面那个镜片，明显错位了。这个时候我们又抓狂了。我们从头到尾地翻啊翻，寻找到底是什么原因。后来发现是这样的。大家看，每一个镜片都有自己的参数。这些镜片都放在盒子里，我们区分镜片的唯一方法就是通过盒子上的标识，但如果镜片放错了盒子，那我们装配的时候就会装错。正因为这样，我们团队里面就诞生了几位“强迫症”，到现在为止我都还有点“强迫症”。我们会怀疑每一个镜片是不是都装错了，然后反复地核查参数，只要对这个镜片有一点怀疑都会打回去重新测试。北方夜视的同事真的容忍了我们很多无理的要求，在一年之内对有些镜片反复地进行测试、确认，最后第三次测试，我们把正样送到了潘特设施，这一次终于完美了。大家看，左边是当时在潘特测试的一个国外类似设备的成像效果，右边是我们的。对比非常明显，我们赢得很漂亮。不用加任何定语，我们就是领先于他们。我们的工匠精神得到了回报。现在镜头有了，那传感器用什么呢？最开始的时候，我们想用气体探测器，X射线光子跟气体作用产生正离子、电子对，然后再用一个读出电路把信号读出来就可以。但是气体探测器有一个问题，就是万一在空间里漏气了，那这个设备就毁掉了。后来我们得知国内也有人做固体探测器，就是CMOS，于是就毫不犹豫就选择了它。这也是世界上第一次在空间中大规模使用CMOS传感器。我们的工作人员正在装一个相机，相机上有4个CMOS传感器，每一个CMOS都很大，比常见的民用全画幅CMOS要大出好多。大家看，每个CMOS传感器有1600万像素。右边这个图里都是单光子成像，上面每一个白色的点都是一个X射线光子，看起来好像没有什么规律。“万星瞳”上面一共有48个CMOS，一秒钟工作20帧，每秒产生150亿个像素的数据，而从中要提取的有效数据只有1000个。这就要求我们的前端电子学需要高效、可靠地鉴定百万分之一的真实数据。中国科学院上海技术物理所孙胜利院士带领的团队花了大力气来做这件事情。但是，我们用了太多的新技术。在上天之前，我们能否有机会验证一下我们的新技术呢？正好在2022年的时候，中国科学院的“力箭一号”火箭迎来了首飞，他们提供了一个机会，就是说他们可以免费帮我们把载荷送上去，但是有一个条件，就是“生死不论”。免费、生死不论，这两个词让我们的团队在这个时候非常焦虑。原因是什么呢？一是我们怕失败，怕火箭发射失败。二是如果我们在这个时候出了问题，那要改动的东西就太多了，我们已经没有太多的时间。
▲搭载LEIA的创新X首发星但是，我们本着求真求实的精神，决定上！“天关”首席袁为民老师给这个勇敢的载荷取了个名字叫LEIA（莱娅），也就是《星球大战》里那个美丽的公主的名字。万幸的是，“力箭一号”非常顺利地入轨了。然后我就每天都跑去问运行的同事，今天开不开机？今天开不开机？我们同事本来都还挺淡定的，后来被我问烦了。▲First Wide Field-of-view X-Ray Observationsby a Lobster-eye Focusing Telescope in Orbit终于有一天，它开机了。开机第一天我们拿到了图像，看到了银河系中心那些个十字形的像斑，我就知道一切都值了：我们比当时在轨所有宽视场设备的观测质量都好。这是宽视场的X射线成像望远镜在世界上的第一次成像观测。我们的英国合作者说：“我们等这个望远镜等了20年”。美国的安吉尔教授也给我们发来了贺信，他说：“你们很棒！”我们这个设备工作的时候，前端会产生大量的热量，需要一个回路热管把热量导出去，不然设备就会过热。但是，回路热管启动失败了，我们的载荷就只能关一段时间、再工作一段时间。为了避免在“天关”上出现这个问题，我们的团队成员咬牙切齿地把卫星上面的热管全换了，那一段时间真的是不堪回首。当然，更大的挑战在2023年年初的时候到来了，CMOS出现了偶发性的故障。而那个时候所有的正样都已经研制完成了。所有的疑问都到了我们团队头上：卫星还能不能发射？那个时候，团队的成员全国跑，就是为了寻求一个答案。▲https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/03/Polar_and_Sun-synchronous_orbit最后我们发现，太阳一旦活动，我们的LEIA就有很大可能性发生故障。LEIA是在太阳同步轨道上面运行的，它会经过地球的两极。而在两极还富集了大量从太阳来的荷电粒子，这是形成极光的原因，也对LEIA的工作产生了威胁。▲https://www.swpc.noaa.gov/大家可能知道，这两年是太阳活动的极大年。经常听到有人惊喜地说，北京都能看到极光了。但每当听到这个消息，我都非常难受。我说：“天哪，又要出现极光了，我要不要关机。”最终我们认定，这个故障主要是由于太阳的活动加上我们当时所用器件的一些偶发性缺陷导致的。于是，顾逸东院士为首的工程两总做了抉择，我们的院机关、院领导最后敲定：“行，那我们发射！”这个任务在我们合作者看来是异常疯狂的，因为研制周期太短了。到2023年年底的时候，卫星终于出厂了。我坐上了中国人自己的运20，陪着我们的卫星飞到了西昌。在西昌的日子过得很快，也很顺利。这里有一件很有意思的事。在基地里面，基地的工作人员都是严肃统一的着装。而我们的团队来自中国科学院各个所，我们穿的衣服各种各样，这种多彩确实算得上是一道风景线。我想，这就是科学的自由探索跟工程的严肃的一个很好的融合。2024年1月9日下午，我们的卫星发射了搭载着长征2号丙火箭发射了。右图那张照片是卫星和火箭分离后的最后一张照片，从此以后，我们就只能在遥测数据里面想象我们卫星的样子了。我们的卫星是基地龙年的第一颗星。火箭的尾迹在天上形成了一个舞动九天的龙，这让我们觉得我们应该很幸运。2024年大年初二，我在运控室里面值班。这时候我发现了一个暂现源，一个只在我们视场里面出现了100秒的暂现源。非常巧的是，这个暂现源出现在了蟹状星云，也就是天关客星遗迹的旁边。我们的团队经过协商，向世界天文界发布了第一条警报信息。冥冥之中，跨越了千年，我们宋代的记录跟我们自己的记录通过“天关”联系在了一起。在那一刻，于我而言，这个梦算是圆了。到2024年4月份，我们联合欧空局发布了第一批的观测成果。这就是我们对银河系中心观测的结果，中间的每一个十字形大概率都是一些知名的星体，包括黑洞、中子星、白矮星，还有那些像云雾一样的，就是炙热的等离子体，甚至中间还有一个暂现源，如果大家感兴趣可以去找一找。到现在，“天关”卫星已经运行一年了，我们获得了第一张中国人的X射线天图，上面有各种各样著名的亮源，还隐藏着数以千计的X射线暂现源。上千年了，从天关客星的记录到我们现在“天关”卫星，我希望我们中国人自己的领先技术能够为天文学做出更大的贡献。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。推荐资源
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