該退了，為啥讓“慧眼”再干兩年

1月14日，“慧眼”衛(wèi)星監(jiān)控室。

液晶顯示屏上，顯示著一張看起來(lái)極其普通的世界地圖，代表“慧眼”的紅點(diǎn)正緩緩劃過(guò)太平洋上空。

這是“慧眼”衛(wèi)星繞著地球飛行的第240個(gè)星期。

按照設(shè)計(jì)，它原本只有4年壽命，7個(gè)月前就該退役，可是，由于它的運(yùn)行狀態(tài)一切正常，衛(wèi)星平臺(tái)備用資源完好如初，于是科學(xué)家們召開(kāi)衛(wèi)星延壽會(huì)議，決定讓它再干兩年。

“慧眼”給科學(xué)家們帶來(lái)過(guò)很多驚喜，除了超期服役仍運(yùn)行良好之外，它還一次次發(fā)現(xiàn)新的天體現(xiàn)象，這些讓它的成就者——“慧眼”衛(wèi)星科研團(tuán)隊(duì)獲得了2021年度中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)。

作為“慧眼”的現(xiàn)任首席科學(xué)家，張雙南在驚喜之余感慨：“我們起步艱難，卻趕上了X射線天文學(xué)非常興旺的時(shí)代?！?/span>

立項(xiàng)之路

沒(méi)想到走了18年

“慧眼”衛(wèi)星的全名是“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”，它的出現(xiàn)與中科院院士李惕碚密切相關(guān)。

自上世紀(jì)70年代開(kāi)始，在李惕碚的推動(dòng)下，中科院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱高能所）的科研人員就利用高空氣球搭載硬X射線探測(cè)器，開(kāi)展高能天體物理觀測(cè)研究。

當(dāng)時(shí)，硬X射線這個(gè)波段的天體成像觀測(cè)尤為困難，也使得探測(cè)器造價(jià)高昂。上世紀(jì)90年代初，李惕碚和自己多年的老搭檔吳枚研究員一起，創(chuàng)立了一種直接解調(diào)方法，利用已有的不能成像的儀器，通過(guò)掃描觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度成像。

1993年，基于這種方法，李惕碚、吳枚等提出了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想，并得到了中國(guó)高能天體物理學(xué)奠基人之一、中科院院士何澤慧的支持。

出人意料的是，這個(gè)設(shè)想從提出到最終立項(xiàng)，竟歷經(jīng)了18年。

從1993年開(kāi)始，為了推動(dòng)立項(xiàng)，何澤慧、李惕碚等不停地奔走呼吁。他們心焦，因?yàn)榱㈨?xiàng)進(jìn)度一拖再拖，科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的空間一窄再窄。

“等待立項(xiàng)期間，美國(guó)和歐洲****了兩顆硬X射線天文衛(wèi)星，把我們要做的事做了，我們面臨的問(wèn)題是‘我們還能干什么’?！睆堧p南回憶道。

2001年底，在“慧眼”的立項(xiàng)之路走到第八個(gè)年頭時(shí)，旅居歐美十余年的張雙南回到國(guó)內(nèi)，主要的工作之一是協(xié)助李惕碚，把“慧眼”項(xiàng)目做起來(lái)。

“我知道任何一個(gè)空間項(xiàng)目的立項(xiàng)和建設(shè)都是很不容易的，當(dāng)時(shí)我國(guó)做這個(gè)規(guī)模的空間望遠(yuǎn)鏡也不容易。所以雖說(shuō)遇到了問(wèn)題，但我們從來(lái)沒(méi)有在任何一個(gè)時(shí)刻覺(jué)得‘慧眼’會(huì)做不成。這件事情，只是早晚的問(wèn)題。”張雙南告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

項(xiàng)目組一等又是十年。

等待立項(xiàng)期間，科研人員在“慧眼”原先的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，增加了中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡兩組探測(cè)器，使“慧眼”成為全球覆蓋能區(qū)范圍最大的X射線天文望遠(yuǎn)鏡。

他們還緊跟國(guó)際發(fā)展前沿，不斷調(diào)整科學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化儀器設(shè)計(jì)，讓“慧眼”的科學(xué)能力始終具有國(guó)際優(yōu)勢(shì)。

時(shí)間不會(huì)辜負(fù)奮斗者的每一滴汗水。2011年3月，好消息終于傳來(lái)，國(guó)家批復(fù)硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星工程正式立項(xiàng)。

就在這一年的6月20日，一直支持這一項(xiàng)目的何澤慧與世長(zhǎng)辭。

研制之路

曾感覺(jué)已經(jīng)

“黔驢技窮”

“慧眼”不僅是我國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星，也是高能所粒子天體物理中心研究人員研制的第一顆衛(wèi)星。從立項(xiàng)的那一刻起，技術(shù)挑戰(zhàn)才真正開(kāi)始。

衛(wèi)星立項(xiàng)之際，年僅30歲的劉聰展服從導(dǎo)師李惕碚的安排，從清華大學(xué)調(diào)入高能所，成為“慧眼”高能X射線望遠(yuǎn)鏡的主任設(shè)計(jì)師。

他遇到的第一個(gè)難題，來(lái)自望遠(yuǎn)鏡最核心的部件——閃爍晶體探測(cè)器。這個(gè)探測(cè)器需要使用一種國(guó)際上早已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的復(fù)合晶體，可是當(dāng)劉聰展與國(guó)外廠商談“進(jìn)口”事宜時(shí)，他得到的答復(fù)卻是：“你們的應(yīng)用里有‘space’（空間），這是一個(gè)敏感詞，我們不能出口給你，即便是做科學(xué)研究也不行。”

進(jìn)口不行就自己干，接下來(lái)的小半年里，劉聰展走訪了很多國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)廠商，決定走國(guó)產(chǎn)化道路?？墒?，國(guó)產(chǎn)化的艱難程度超出了劉聰展的預(yù)期，晶體的能量分辨率一直達(dá)不到“慧眼”的設(shè)計(jì)要求。

“當(dāng)時(shí)企業(yè)做的產(chǎn)品都是民用，對(duì)品質(zhì)的要求沒(méi)有那么苛刻。廠家之前不用考慮很多環(huán)境條件，但在我們這里，每個(gè)小問(wèn)題帶來(lái)的后果都是致命的?！眲⒙斦拐f(shuō)。

一次次的波折，讓劉聰展一度變得敏感、彷徨、不自信?！案杏X(jué)已經(jīng)黔驢技窮了?！眲⒙斦拐f(shuō)。

經(jīng)過(guò)兩年半的掙扎、29個(gè)輪次的試制，劉聰展和廠家才最終將國(guó)產(chǎn)化的路走通。

類似的困境，“慧眼”團(tuán)隊(duì)遇到過(guò)很多。但憑借闖關(guān)精神，他們攻破了一個(gè)個(gè)難題。衛(wèi)星有效載荷總設(shè)計(jì)師盧方軍曾用兩個(gè)字來(lái)形容“慧眼”的研制過(guò)程——艱難。

“但是我們堅(jiān)持認(rèn)為，第一顆衛(wèi)星一定要自己做，要通過(guò)這顆衛(wèi)星發(fā)展自己的技術(shù)，培養(yǎng)自己的人才?！北R方軍說(shuō)。

最終，“慧眼”的高能X射線望遠(yuǎn)鏡擁有國(guó)際最大有效面積的閃爍晶體探測(cè)器陣列；中能X射線望遠(yuǎn)鏡使用的硅陣列探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體X射線探測(cè)器首次且大規(guī)模的空間使用；在低能X射線望遠(yuǎn)鏡方面，科研人員自主研制出百納米厚度的透軟X射線遮光膜。

2017年4月，“慧眼”衛(wèi)星起運(yùn)****場(chǎng)。6月15日11時(shí)00分，它從酒泉衛(wèi)星****中心蒼茫的戈壁灘上起飛，奔向更加蒼茫的宇宙。

為了紀(jì)念何澤慧以及她為中國(guó)高能天體物理發(fā)展作出的貢獻(xiàn)，衛(wèi)星入軌后被命名為“慧眼”。

運(yùn)行之路

憑實(shí)力迎幸運(yùn)連連

運(yùn)行期間，“慧眼”實(shí)現(xiàn)了原定的科學(xué)目標(biāo)，產(chǎn)出了很多重要成果。2019年8月，“慧眼”發(fā)表了X射線脈沖星導(dǎo)航的高精度實(shí)驗(yàn)成果。2020年8月，“慧眼”首次直接測(cè)量到迄今宇宙中的最強(qiáng)磁場(chǎng)等。

但“慧眼”超出預(yù)期的“意外之喜”似乎更令科學(xué)家們興奮。

“慧眼”地面應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)運(yùn)行中心負(fù)責(zé)人賈淑梅記得，第一次“意外之喜”發(fā)生在“慧眼”在軌測(cè)試期間。

2017年8月17日晚上9點(diǎn)多，賈淑梅等人接到了來(lái)自張雙南的通知，啟動(dòng)機(jī)遇觀測(cè)，將“慧眼”瞄準(zhǔn)距離地球13億光年之外的NGC 4993星系，那里有兩顆中子星發(fā)生并合，由此產(chǎn)生的引力波剛剛到達(dá)了地球，這是人類首次直接探測(cè)到的中子星并合引力波事件。

監(jiān)控室見(jiàn)證了一個(gè)不平靜的夜晚。當(dāng)時(shí)全球僅有4臺(tái)X射線和伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡成功監(jiān)測(cè)到爆發(fā)天區(qū)，中國(guó)的“慧眼”便是其中之一。“慧眼”對(duì)引力波暴在伽馬射線能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了最嚴(yán)格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機(jī)制作出了重要貢獻(xiàn)。

這是“慧眼”地面運(yùn)行系統(tǒng)的第一次應(yīng)急演練?！啊垩邸?/4的時(shí)間用于機(jī)遇觀測(cè)，地面運(yùn)行系統(tǒng)的科研人員時(shí)刻都準(zhǔn)備著響應(yīng)科學(xué)家開(kāi)展機(jī)遇觀測(cè)的要求?！辟Z淑梅說(shuō)。

2020年4月下旬，一顆名為SGR J1935+2154的磁星進(jìn)入活躍期，出現(xiàn)頻繁的X射線爆發(fā)。4月28日一早，賈淑梅又一次接到機(jī)遇觀測(cè)的通知。

就在他們將“慧眼”對(duì)準(zhǔn)磁星后的幾個(gè)小時(shí)，加拿大CHIME實(shí)驗(yàn)和美國(guó)STARE2實(shí)驗(yàn)同時(shí)看到了磁星方向發(fā)生了一個(gè)亮度極高的快速射電暴。

巧合的是，“慧眼”也在這次快速射電暴前8秒觀測(cè)到了一個(gè)超亮X射線暴，而8秒正好對(duì)應(yīng)于星際介質(zhì)對(duì)射電信號(hào)造成的時(shí)延。

“慧眼”的觀測(cè)為快速射電暴來(lái)自該磁星提供了直接證據(jù)，2021年2月19日，該成果在線發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。

此外，通過(guò)機(jī)遇觀測(cè)，他們還發(fā)現(xiàn)了迄今距離黑洞最近的高速噴流和逃離黑洞的高速等離子體等具有國(guó)際影響力的重要天體物理現(xiàn)象。

令他們更加驚喜的是，一度趨于冷門(mén)的X射線天文學(xué)，在“慧眼”運(yùn)行期間強(qiáng)勢(shì)復(fù)活，使得“慧眼”出人意料地贏得了來(lái)自國(guó)際天文和天體物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。

“天上的事不可預(yù)測(cè)，只有有了這個(gè)觀測(cè)能力，才有可能抓住機(jī)遇?！薄盎垩邸钡孛鎽?yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師宋黎明說(shuō)。

一切偶然皆為必然。如果不是科學(xué)家們28年的堅(jiān)守，機(jī)遇和驚喜不可能青睞他們。

一切過(guò)往皆為序章。如今“慧眼”超期服役，“慧眼”的繼任者——增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（eXTP）有望在2027年前后****運(yùn)行。

中國(guó)X射線天文學(xué)研究華燈初上。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-01-21 第1版 要聞 原標(biāo)題為《“慧眼”衛(wèi)星帶來(lái)的意外與驚喜》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛