清華主導(dǎo)的空間項(xiàng)目“極光計(jì)劃”發(fā)布新發(fā)現(xiàn)

中國教育報(bào)—中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 萬玉鳳）5月11日，清華大學(xué)天文系教授馮驊課題組與合作者在《自然·天文》雜志發(fā)表文章，報(bào)道了清華大學(xué)主導(dǎo)的空間天文項(xiàng)目“極光計(jì)劃”的最新成果：“極光計(jì)劃”配備的X射線偏振探測(cè)器在衛(wèi)星上經(jīng)過1年的觀測(cè)，探測(cè)到來自蟹狀星云及脈沖星（中子星的一種）的軟X射線偏振信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星自轉(zhuǎn)突變和恢復(fù)過程中X射線偏振信號(hào)的變化，說明在此過程中脈沖星磁場(chǎng)發(fā)生了變化。這一探測(cè)結(jié)果也標(biāo)志著，由于技術(shù)困難停滯了40多年的天文軟X射線偏振探測(cè)窗口重新開啟。

作為一門觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)，天文學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴新的觀測(cè)方法和手段。新的觀測(cè)方法和手段被稱為天文觀測(cè)的新窗口。X射線是電磁波的一種，是研究黑洞、中子星等天體的最主要媒介。偏振是電磁波的基本屬性之一，其在生活中的應(yīng)用包括3D電影和液晶顯示。而X射線偏振是具有重要科學(xué)價(jià)值的獨(dú)特的天體物理探針，是研究黑洞、中子星等高能天體的強(qiáng)有力工具。1968年，美國科學(xué)家率先開展了天文X射線偏振探測(cè)，于1971年在一次探空火箭實(shí)驗(yàn)中見到了成功的希望，并在1975年發(fā)射的OSO-8衛(wèi)星上完成了第一次精確測(cè)量，這次測(cè)量發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云的X射線輻射具有高度線偏振，起源于同步輻射。然而，由于上一代技術(shù)的局限性，其探測(cè)效率和靈敏度低下，天文X射線偏振探測(cè)在這次實(shí)驗(yàn)之后便陷入了停滯。

2001年，隨著核探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，意大利科學(xué)家證實(shí)了一種新型粒子探測(cè)技術(shù)可用于高靈敏度X射線偏振測(cè)量。2009年，清華大學(xué)馮驊教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始對(duì)X射線偏振探測(cè)技術(shù)進(jìn)行探索和改進(jìn)，在國際合作的基礎(chǔ)上歷經(jīng)多年技術(shù)積累，在實(shí)驗(yàn)室里研制出了高靈敏度低系統(tǒng)誤差的X射線偏振儀。這個(gè)火柴盒大小的探測(cè)器瓶頸之一就在于探測(cè)器封裝，其氣體純度要求為99.999%以上。但是探測(cè)器腔體材料會(huì)吸附雜質(zhì)氣體，當(dāng)純凈的氣體充入后，雜質(zhì)會(huì)慢慢擴(kuò)散，使得純度下降，導(dǎo)致探測(cè)器最初的工作壽命只有約30分鐘。馮驊教授團(tuán)隊(duì)成功解決了這個(gè)問題，使得探測(cè)器封好之后5-10年性能都不會(huì)改變?！翱臻g天文是一個(gè)系統(tǒng)工程，哪一個(gè)環(huán)節(jié)出問題，整個(gè)項(xiàng)目都會(huì)失敗，這也是空間天文項(xiàng)目的難度所在?！瘪T驊說。

新的探測(cè)技術(shù)和方法需要進(jìn)行飛行驗(yàn)證，為此，馮驊教授提出了“極光計(jì)劃”，希望利用微納衛(wèi)星平臺(tái)在衛(wèi)星軌道上直接驗(yàn)證X射線偏振探測(cè)技術(shù)，從而提高技術(shù)成熟度，為未來的空間天文探測(cè)所用。2018年10月29日，“極光計(jì)劃”探測(cè)器發(fā)射升空，經(jīng)過1年的觀測(cè)，探測(cè)到來自蟹狀星云的X射線偏振信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)了有關(guān)脈沖星的新天體物理現(xiàn)象，也就是當(dāng)蟹狀星云脈沖星自轉(zhuǎn)周期突然變化之后，其X射線偏振也發(fā)生了顯著的變化。

脈沖星是一種極其精確的“時(shí)鐘”，但是經(jīng)常會(huì)在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生一次突變，然后慢慢恢復(fù)，這種自轉(zhuǎn)突變是一種有待研究的天文現(xiàn)象。2019年7月23日，蟹狀星云脈沖星發(fā)生了一次自轉(zhuǎn)突變，其偏振信號(hào)的變化被“極光計(jì)劃”探測(cè)器捕捉，經(jīng)過幾十天它的偏振信號(hào)又慢慢恢復(fù)，這一新的發(fā)現(xiàn)有助于理解脈沖星也就是中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖片說明：“極光計(jì)劃”對(duì)蟹狀星云進(jìn)行觀測(cè)的藝術(shù)表現(xiàn)圖

載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師顧逸東院士表示：“極光計(jì)劃采用商業(yè)化立方星成功測(cè)量了蟹狀星云及脈沖星的偏振信號(hào)，獲得脈沖星的X射線偏振隨時(shí)間變化的重要成果，同時(shí)闖出了一條低成本開展空間天文研究的創(chuàng)新途徑，對(duì)推動(dòng)高?？臻g科學(xué)發(fā)展有重要意義?！?/p>

“極光計(jì)劃”探測(cè)器是40多年來國際上第一個(gè)專門的空間天文軟X射線偏振探測(cè)器，宣告了這個(gè)天文探測(cè)窗口的重新開啟，而關(guān)于蟹狀星云脈沖星自轉(zhuǎn)變化物理過程的意外發(fā)現(xiàn)，也說明了這個(gè)新窗口的重要性。

據(jù)悉，“極光計(jì)劃”所采取的技術(shù)將被應(yīng)用到我國下一代大科學(xué)工程“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振天文臺(tái)(eXTP)”上。eXTP是中國領(lǐng)導(dǎo)的大型中歐合作項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2027年發(fā)射。作為eXTP首席科學(xué)家，中科院高能所粒子天體物理中心主任張雙南研究員說：“極光計(jì)劃發(fā)展了最先進(jìn)的X射線偏振測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了歷史上僅有的第二次天體X射線偏振測(cè)量。這不但驗(yàn)證了40多年前的第一次測(cè)量結(jié)果的正確性，而且還很有可能發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極具科學(xué)價(jià)值的新現(xiàn)象，這有助于理解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及自轉(zhuǎn)變化如何影響其外部磁場(chǎng)。極光計(jì)劃的成功表明，目前正在研制和計(jì)劃中的X射線偏振測(cè)量空間項(xiàng)目的科學(xué)潛力巨大，其結(jié)果也對(duì)未來新項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)確定和技術(shù)方案選擇提供了新的思路?！?/p>

清華大學(xué)天文學(xué)科創(chuàng)始人李惕碚院士表示，“清華天文從起步之日起，空間天文就是一個(gè)重要的、極具特色的發(fā)展方向?！畼O光計(jì)劃’是清華大學(xué)主導(dǎo)的第一個(gè)空間天文項(xiàng)目，是理工結(jié)合的成效?！薄皹O光計(jì)劃”負(fù)責(zé)人馮驊是清華大學(xué)天文系教授、工物系兼職教授，該項(xiàng)目的成功實(shí)施得益于核技術(shù)在天文探測(cè)中的應(yīng)用，體現(xiàn)了理工結(jié)合、學(xué)科交叉的特色。

馮驊是論文的第一作者和通訊作者。“極光計(jì)劃”的合作單位還包括意大利國家核物理研究院、意大利國家天體物理研究院、中科院高能物理研究所、北京大學(xué)、寧波工程學(xué)院、北方夜視和天儀研究院。同時(shí)，“極光計(jì)劃”探測(cè)器和衛(wèi)星的日常運(yùn)行均由學(xué)生負(fù)責(zé)，是學(xué)生培養(yǎng)的重要平臺(tái)?！皹O光計(jì)劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號(hào)”立方星上，此星還裝載了一個(gè)學(xué)生項(xiàng)目——“天格計(jì)劃”?！拔覀兤诖磥砬迦A在空間天文上做出更精彩的工作?！瘪T驊說。