——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
6月26日，“天關(guān)”衛(wèi)星的一個(gè)重磅發(fā)現(xiàn)吸引了全球天文愛好者的目光：“天關(guān)”衛(wèi)星成功捕捉到一個(gè)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)星由中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院抓總研制，是一顆面向時(shí)域天文學(xué)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(zhǔn)“捕手”，在軟X射線波段開展高靈敏度實(shí)時(shí)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。中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長、“天關(guān)”衛(wèi)星總設(shè)計(jì)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(bào)記者采訪，講述“天關(guān)”衛(wèi)星背后的攻關(guān)歷程和團(tuán)隊(duì)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(xué)衛(wèi)星都有一個(gè)結(jié)合中華優(yōu)秀傳統(tǒng)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(gè)很亮的爆發(fā)源，當(dāng)時(shí)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(shè)備，例如錢德拉X射線天文臺、哈勃空間望遠(yuǎn)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(shè)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(shí)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(xué)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(wù)是什么？
張永合：“天關(guān)”衛(wèi)星的主要任務(wù)，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(shí)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(qiáng)，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(diǎn)點(diǎn)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(shí)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(xué)家們認(rèn)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(shí)，它們在爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量非常大，能夠把這些關(guān)鍵信息傳播得更遠(yuǎn)、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(gè)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(yù)言。而產(chǎn)生引力波時(shí)，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(yīng)的電磁輻射信號，使研究人員能夠進(jìn)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(shè)備，“天關(guān)”衛(wèi)星有哪些特點(diǎn)？
張永合：相比國際同類衛(wèi)星，“天關(guān)”衛(wèi)星有三個(gè)突出特點(diǎn)：大視場、高靈敏、準(zhǔn)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(zhǔn)定位，定位精度可以達(dá)到1角分。目前國際上能同時(shí)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(shè)備進(jìn)行信息交互。它還搭載了兩個(gè)焦距達(dá)1.6米的后隨X射線望遠(yuǎn)鏡，能看到更深遠(yuǎn)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(yīng)、深觀測、速聯(lián)網(wǎng)”優(yōu)點(diǎn)的五項(xiàng)全能冠軍。
記者：為了成為“五項(xiàng)全能冠軍”，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了哪些創(chuàng)新設(shè)計(jì)？
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(gè)數(shù)據(jù)可以說明其性能的不斷提升：在立項(xiàng)初期，“天關(guān)”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)重量僅有1噸，等到發(fā)射的時(shí)候它的重量已達(dá)1.4噸。
例如，為了實(shí)現(xiàn)“廣巡視、精捕捉”，我們創(chuàng)新使用了“大眼”+“小眼”的設(shè)計(jì)。“大眼”是指12臺軟X射線望遠(yuǎn)鏡（WXT）模塊。通過運(yùn)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(shí)現(xiàn)了觀測靈敏度和空間分辨率1至2個(gè)數(shù)量級的提升。“小眼”是指兩臺后隨X射線望遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)“大眼”“小眼”的快速切換、精準(zhǔn)配合，我們在衛(wèi)星上設(shè)計(jì)了全自主的探測、處理、定位、機(jī)動、信息分發(fā)響應(yīng)流程，能夠自主識別與分析暫現(xiàn)源，自動排列優(yōu)先級，實(shí)時(shí)發(fā)布暫現(xiàn)源位置及光子信息并觸發(fā)衛(wèi)星機(jī)動；還配置了6個(gè)大力矩反作用飛輪，保證后隨望遠(yuǎn)鏡能夠即時(shí)指向龍蝦眼望遠(yuǎn)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(xué)相機(jī)，要對“光”進(jìn)行聚焦和處理。但難點(diǎn)在于，常規(guī)光學(xué)器件無法聚焦“天關(guān)”衛(wèi)星收集的軟X射線。科學(xué)家們想到了龍蝦的眼睛。龍蝦眼是反射式復(fù)眼，由上千個(gè)“小眼”（多個(gè)獨(dú)立光學(xué)單元）組成，這樣的結(jié)構(gòu)帶來了大視野和較強(qiáng)的聚光能力。
仿照龍蝦的眼睛，載荷團(tuán)隊(duì)在軟X射線望遠(yuǎn)鏡上應(yīng)用了微通道光學(xué)（MPO）成像技術(shù)。12個(gè)望遠(yuǎn)鏡共配置了432個(gè)MPO鏡片，每個(gè)MPO鏡片上面分布著上百萬個(gè)微小的方孔。X射線光子在進(jìn)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(gè)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(diǎn)。
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(yuǎn)鏡是“花蕊”，12臺龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡是“花瓣”。它們高低錯(cuò)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(hù)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(xué)家們希望觀測一些靠近太陽的目標(biāo)。當(dāng)時(shí)距離投產(chǎn)僅剩幾個(gè)月。為了不讓衛(wèi)星帶著科學(xué)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(shí)采用了全桁架式光學(xué)平臺，將12臺龍蝦眼望遠(yuǎn)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(jìn)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(shè)備和其他衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)有效信息的共享，以達(dá)到更好的觀測效果。為了讓“天關(guān)”衛(wèi)星快速與其他設(shè)備“說上話”，我們應(yīng)用VHF與北斗短報(bào)文系統(tǒng)，建立起“天關(guān)”衛(wèi)星實(shí)時(shí)通訊關(guān)系網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了與全球天文觀測設(shè)備的一體化“互聯(lián)”模式。
VHF是法國空間研究中心建設(shè)的一個(gè)地面VHF波段實(shí)時(shí)接收網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備。北斗短報(bào)文系統(tǒng)則類似于互發(fā)短信的形式，僅需幾個(gè)字節(jié)就能將重要目標(biāo)的天文位置坐標(biāo)發(fā)到“天關(guān)”衛(wèi)星上。
后續(xù)，我們還計(jì)劃進(jìn)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(shè)備的通訊交流效率。
培育新生力量
記者：衛(wèi)星是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)。“天關(guān)”衛(wèi)星的研發(fā)、運(yùn)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(tuán)隊(duì)，骨干成員年齡在三十歲左右。團(tuán)隊(duì)總規(guī)模近百人，包括衛(wèi)星設(shè)計(jì)、載荷設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子信息等專業(yè)的人才。研制空間科學(xué)衛(wèi)星是一個(gè)不斷獲得新認(rèn)識的過程，每當(dāng)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(xué)家們學(xué)習(xí)天文知識，同時(shí)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(shè)計(jì)方案、提升衛(wèi)星性能的同時(shí)，做好潛在風(fēng)險(xiǎn)的評估。
記者：空間科學(xué)衛(wèi)星是國際航天領(lǐng)域科技制高點(diǎn)，您認(rèn)為我們需要怎樣的空間科學(xué)人才？
張永合：首先，我們需要具備全球視野的天文學(xué)家，他們能夠提出關(guān)鍵的、前瞻性的科學(xué)問題，引領(lǐng)空間科學(xué)發(fā)展。其次，我們需要一批理解天文學(xué)的衛(wèi)星系統(tǒng)工程師，他們屬于跨界人才，讓天文學(xué)和工程技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域“手牽手”，我扮演的就是這一角色。空間科學(xué)人才還要能夠與全球的科學(xué)家開展合作交流。
此外，我們還需要一批新生力量。空間科學(xué)衛(wèi)星的研制時(shí)間很長，遇到的問題都很新。“天關(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(xué)、愿意長期專注這一領(lǐng)域的后備力量。
記者：您認(rèn)為應(yīng)該如何培養(yǎng)優(yōu)秀的空間科學(xué)人才？
張永合：我覺得應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步豐富空間科學(xué)相關(guān)項(xiàng)目的數(shù)量和種類，增加經(jīng)費(fèi)投入，在實(shí)戰(zhàn)中培養(yǎng)人才。如今我們國家對空間科學(xué)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(xiàng)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(xiàng)目，比如立方星、微小衛(wèi)星等。我們需要在這些小項(xiàng)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(yàn)。但是空間科學(xué)的理念和傳統(tǒng)航天存在一定區(qū)別，比如應(yīng)用類的衛(wèi)星往往在設(shè)計(jì)之初就定好了工程指標(biāo)，而空間科學(xué)衛(wèi)星的工程指標(biāo)是隨著認(rèn)識的深入不斷調(diào)整的。因此，我認(rèn)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(xué)人才。
