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发布日期：2024-07-11 作者：开博
4月27日，2024中关村论坛年会平行论坛空间科学论坛在京召开。由中国科学院牵头实行的爱因斯坦探针（EP）卫星使命发布了第一批在轨探测图象。卫星搭载了国际首台宽视场X射线成像千里镜（WXT）和1台后随X射线千里镜（FXT）。WXT由中国科学院上海手艺物理研究所（以下简称上海技物所）与中国科学院国度天文台（以下简称国度天文台）结合研制，其微孔光学（MPO）要害元件由北方夜视供给。
WXT指向银河系中间的不雅测图象。图片来历在X射线数据版权EP科学中间
“仅仅工程阶段，就用时7年时候。团队从概念验证最先，将一个个假想逐步变成实际，此刻这台千里镜终究‘张开了眼睛’。”中国科学院院士、上海技物所研究员、WXT载荷的负责人孙成功暗示，“这个进程让人很是冲动和振奋。”
为何需要爱因斯坦探针？
EP卫星是中国科学院空间科学二期先导专项立项并实行的空间科学卫星系列使命之一，由中方主导，欧洲航天局（ESA）、德国马普地外物理研究所（MPE）和法国航天局（CNES）以国际合作情势介入卫星研制，旨在发现和摸索宇宙中X射线暂现和爆发天体，并发布预警以指导其它天文装备进行后随跟踪不雅测。WXT是今朝国际上探测活络度和空间分辩率最高的年夜视场X射线千里镜，将在软X射线这一新的监测窗口进行年夜视场、高活络度、快速时域巡天监测。
爱因斯坦探针卫星示意图。图片来历在上海技物所
太空中已有为数很多的X射线卫星，如钱德拉X射线卫星、Nustar卫星、INTEGRAL卫星等。我们为何还需要如许一台空间千里镜？
孙成功用显微镜进行了类比：一般的电子显微镜可以或许看到份子的布局，但看不清份子布局是若何转变的；一样，以往的空间千里镜，可以研究天体的状况，却没法看清其动态进程。要领会宇宙的演变进程，就需要更深切的不雅测能力、更广的不雅测规模，这恰是高能时域天文学存眷的首要内容。
时域天文学的首要研究对象是暂现源和猛烈爆发天体。暂现源指在短时候内呈现，又很快消逝的天体，猛烈爆发天体则是指亮度在短时候内忽然呈现数目级式增加的天体。
国度天文台研究员、EP卫星首席科学家助理张臣介绍：“黑洞潮汐崩溃恒星、伽马射线暴等事务产生时，城市发出X射线。经由过程研究X射线，可以摸索很是高温、高能物理进程中的产生的物理事务。”
但是，在广漠的宇宙中，这类忽然事务的呈现布满随机性，已有的空间千里镜很难不雅测到。
EP卫星最年夜的特点是兼具高活络度和年夜视场。由WXT搜刮和定位暂现源，再由FXT进行对暂现源进行切确丈量。EP卫星具有3850平方度的视场，笼盖了约十一分之一天区，弥补了国际上在软X射线该波段的年夜视场全天监测装备的空白。
它将以国际上最高的探测活络度、在迄今监测规模最广的宇宙空间，发现突变天体和监测天体的勾当性，发现和摸索各类标准的寂静的黑洞，探测引力波源的电磁波对应体并进行切确定位。
十年磨一“星”
项目标出发点要往回拨到2013年。这一年11月15日，中国科学院空间科学先导专项布景型号项目“爱因斯坦探针卫星”科学论证启动会召开，到2024年1月9日成功发射，不成谓是十年磨一“星”。
回首研制的过程，这支“85后”为主的团队，关关难熬关关过，冲破了一项又一项要害手艺。
起首是X射线的聚焦问题。因为X射线的光子能量很高，穿透力极高且轻易与原子产生彼此感化，很难经由过程折射或反射进行聚焦。以平常用的方式为直线光学法和聚焦成像法两种，而前者空间定位的切确度较差，后者的视场很是小，均没法知足时域天文学的成长需求。
1979年，美国亚利桑那年夜学罗杰 安吉尔受龙虾眼全发射成像的道理开导，初次提出了一种仿生的X射线成像光学构型。这个光学系统可以知足天文学家对年夜视场的需求，是X射线时域天文学所寻求的下一代装备，但由于手艺难度很是高，假想提出后数十年都未能实现。
2010年，国度天文台最先摸索微孔龙虾眼X射线成像手艺研究。“我们最初是筹算采办国外的近似装备，但价钱昂贵，且对我国存在手艺和经济方面的封闭。”张臣指出。
颠末多年手艺攻关，国度天文台结合北方夜视成功研制出基在MPO手艺的龙虾眼X射线光学组件，同时依托上海技物地点卫星光学载荷研制方面堆集的丰硕经验，终究集成研制出完全的WXT，该装备的要害器件均为我国自立研发。
上海技物所副研究员、WXT载荷主任设计师孙小进介绍，典型的龙虾眼MPO镜片是一个42.5mm×42.5mm的曲面，曲率半径为750mm，每一个镜片上有近100万个小方格，方格的巨细为40μm×40μm，壁的厚度为8μm，光洁度到达0.83nm，这对全部相机要害元部件获得和系统集成装调提出了十分刻薄的要求。
寻觅WXT焦面的光子探测器，则是另外一年夜挑战。20世纪90年月以来，X射线千里镜一般采取电荷耦合器件（CCD）作为焦面探测器。但国内今朝还没有法制造知足天文需求的科学级CCD，进口的价钱十分昂贵。另外，以平常用的气体探测器，可能会由于太空中的微流星和宇宙尘埃撞击而掉效。
团队立异性地将背照式互补金属氧化物半导体（CMOS）利用在探测X射线光子。虽然CMOS早已普遍利用在数码相机、手机摄像头，但这是国际上初次将年夜面阵CMOS探测器利用在天文学探测。“我们利用的CMOS探测用具高机能、高活络度、高一致性的特点，且每一个探测器面积达6cm×6cm。”凌志兴指出，“这也是一个主要立异，今朝还没有其他项目利用过这么年夜范围的硅基成像探测器。”
WXT专用背照式CMOS膜探测器。图片来历在上海技物所
如许一个超高精度的“广角相机”，数据量惊人。若何在有限的处置芯片资本和低功耗情况下，实现千里镜对速度和机能的要求，是团队碰到的一浩劫题。千里镜的峰值数据率为25.3G，相当在每秒生成25部1G的片子。
为包管数据的靠得住性，一般而言需要将原始数据全数存储下来，再传到地面长进行后续的阐发处置。但EP的原始数据量过年夜，没法经由过程星地之间的链路进行及时传输，是以，必需先在卫星长进行在轨数据处置，再将有用的信息下传到地面科学运行中间。
“EP是在茫茫宇宙中寻觅天文事务，在海量的数据中找到最有用的信息，一样是‘年夜海捞针’的进程。”上海技物所高级工程师、WXT载荷软件主管薛玉龙注释。
团队曾持续三个月，天天工作到清晨三点，终究实现了高机能、低资本和低功耗之间的均衡。处置后的速度终究下降为5.127Mb，较原始数据量削减了四万多倍。
“电子学硬件设计是一件需要严谨、注意和耐烦的工作，在研发进程傍边，假如有任何的忽视和掉误都将造成庞大的损掉。”上海技物所高级工程师、WXT载荷探测器主管颜爱良暗示。正式在研制流程的包管和团队协同尽力下，终究实现了产物从设计、出产到发射、在轨不雅测全流程的零掉误。
开放合作的典型
凌志兴强调，EP卫星项目从理论走向实际，是精诚合作的产品。“这是多开博体育维度的合作，包罗了国表里机构的持久合作、中国科学院内部多个单元集中各家优势、研究院和企业配合攻关、科学家和工程师间深度交换、老中青三代成员联袂与共。”
2022年7月27日，WXT的一个尝试模块（EP-WXT探路者，后定名为莱娅LEIA）搭载空间新手艺实验卫星（SATech-01）发射升空。该仪器不雅测视场达340平方度，是国际上首个宽视场X射线聚焦成像千里镜，首批在轨实测成果显示，单次（约13分钟）不雅测便可同时探测到多个标的目的上的X射线源，同时可以或许记实这些天体X射线辐射强度随时候转变的信息和天体的X射线能谱。在轨测试完成后，莱娅迄今已获得系列科学功效。
那时，X射线不雅测范畴专家、英国莱斯特年夜学传授保罗 奥布莱恩和理查德 威林盖尔暗示：“几十年来，我们一向在等候一个真实的宽视场软X射线千里镜，莱娅的成功运行使人振奋。这项手艺将对X射线天空的监测带来变化性的鞭策，这项实验也注解了EP卫星庞大的科学潜力。”
跟着EP卫星首批在轨不雅测图象发布，时域天文学将迎来逾越式新成长。下一阶段，EP将继续依照既定打算展开并完成在轨测试，增强国表里合作和数据开放同享工作，探测宇宙中转眼即逝的“焰火”，为高能时域天文不雅测和研究做出有显示度的进献。
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