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浩瀚宇宙、无限星空，吸引着众多科学家为之不懈努力。
作为一门观测驱动的科学，天文学的发展在很大程度上依赖新的观测方法和手段。清华大学天文系教授冯骅研究团队十年磨一剑，成功通过立方星发射并运行了近半个世纪以来第一个专门的空间软X射线偏振探测器。5月11日晚，该团队在《自然·天文》杂志发布最新研究成果：其“极光计划”配备的X射线偏振探测器在卫星上经过1年的观测，探测到来自蟹状星云及脉冲星（中子星的一种）的软X射线偏振信号，并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化。
业内专家表示，这一探测结果标志着由于技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。
这种以“年”为单位的长期观测，将为人类的宇宙探索带来何种推进？背后又有着怎样的攻关故事？
X射线偏振探测：看宇宙中的3D场景
探测X射线偏振，我们在测什么？
“偏振”和光的颜色（波长）都是电磁波的基本属性之一。戴上偏振眼镜看3D电影，即是生活中常见的偏振原理应用。
“X射线也是电磁波的一种。我们希望在X射线波段看宇宙的3D场景——并不是像影院一样看到3D图像，但确实是一个新的探测维度。”冯骅解释，“黑洞、中子星这类非常极端的天体虽然光学辐射很弱，却是很强烈的X射线辐射体。由于X射线波长非常短，不存在像可见光偏振片那样合适的滤镜，X射线偏振的测量变得极其困难。但利用X射线偏振测量，我们能够获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性，从而进一步理解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程发生机制，对高能天体物理而言意义重大。”
正是因为如此重要的科学价值，早在1968年，美国科学家就率先开展了天文X射线偏振探测，并在1971年发射的探空火箭上完成了247秒的曝光，第一次发现蟹状星云的X射线辐射可能具有高度线偏振，并在1975年上天的OSO-8卫星上完成了首次精确测量。
然而，40多年过去了，科学家们不断论证X射线偏振的用处，预言探测偏振对天体物理的科学价值，却再也没有第二个X射线偏振探测设备在空间运行。探测灵敏度不足，被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。
技术转机出现在2001年。随着核探测技术的发展，意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度X射线偏振测量。这为X射线偏振测量带来了“一种近乎理想的探测技术”。
2009年，回到清华大学任教不久的冯骅开始带领团队，在国际合作基础上，对X射线偏振探测技术进行探索和改进。
一个“小火柴盒”攻关两年：做出长寿命、高性能探测器
这是一次以“年”为单位的观测，更是一次以“年”为单位的攻关。
从研究初期，冯骅就制定了明确的探测方案：X射线通过铍窗进入探测器，与探测气体发生光电效应产生光电子，测量运动的光电子穿过气体留下的二维径迹，从而推断出入射X射线的偏振信息。
而在实验室研究阶段，“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器至关重要。冯骅向记者展示了这种新型X射线偏振探测器的外形，一个火柴盒大小，其中传感器面积只相当于一枚硬币。
就是这“方寸之地”，时时挑战着科学家们的智慧——单是探测气体密封在“火柴盒”内，实现长期稳定的工作性能，就花了团队整整两年时间：“实验初期做出的探测器，总是短时间内就被烧坏——核心部件气体电子倍增器（GEM）因高压放电被击穿。”
通过反复测试研究，团队发现了气体纯度这一“罪魁祸首”。“由于探测器是一个密闭环境，当纯净的探测气体充入后，探测器结构材料表面吸附的杂质气体会慢慢释放，使得探测气体纯度下降，从而引起性能衰减，严重时就会‘烧毁’探测器。”冯骅解释。
而对“闭气型气体探测器的封装技术”的冲击，是一个彻底的学科交叉工程。超高真空技术方面，团队请教过中国计量科学研究院和校内凝聚态物理方面的专家；结构材料方面，参考航空航天材料标准，再三测试对比，筛选出满足结构强度的、极低出气率的材料；探测器封装环境方面有差距，则搭建超净室、进行烘烤除气，想方设法降低杂质成分；还找到专属研究院进行气体提纯工作，将气体纯度从市面上常见的99.9%提高至99.999%……
至此，团队迈出重要一步：成品探测器实现了长寿命的要求，从最初只有约30分钟的工作寿命，到封好之后5~10年性能都不会改变。
2017年，团队高灵敏度、低系统误差的X射线偏振探测器在实验室研制成功，并通过了一系列空间环境模拟试验的检验。
巧合的是，同年，商业航天在中国兴起，为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多可能性。由清华大学牵头研制的空间实验“极光计划”应运而生、进展迅速——2017年国庆节前，第一版本的空间载荷研制完成；一年的紧张调试和标定后，2018年10月29日，“极光计划”探测器搭载在天仪研究院的“铜川一号”立方星上成功发射到近地轨道上；2018年11月6日，探测器加电自检成功，并于12月18日开启高压投入运行，开启了“太空探测之旅”。
不断“超纲”攻关：探测器和卫星日常运行由学生负责
十年磨一剑的背后，是一支小而精的科研团队。
如今，“极光计划”团队也不过冯骅这位带头人、一名工程师、一名博士后和三四名学生。而对于他们而言，这十年，也是一次不断“超纲”的科研攻关。
来自清华物理系的龙翔云，大二就加入了冯骅参与指导的学生项目“天格计划”，积极建设伽马暴探测网络。一年多来，他为探测器完成了3000多次开关机指令：“我每天都会为探测器提供‘明日工作计划’，通过卫星公司上传至空间。保证探测器避开高通量高能粒子的损伤，星敏感器一直指向星空。”
卫星日常运行设计，超出了团队专业范围；控制程序设计，对于龙翔云来说也属跨界。“为了最大化观测效率，我们决定自主设计运行程序。”虽然笑言Python写起来比较流畅，但修补Bug也在前期消耗了不少功夫。龙翔云说：“目前程序已经实现高度自动化，每天只需5分钟即可完成。”
2019年3月，探测器进入常规观测，盯准了蟹状星云脉冲星。同年7月23日，蟹状星云脉冲星的自转突变被X射线偏振探测器捕捉。“我们观测到，经过几十天，脉冲星的偏振信号又慢慢恢复，这一新的发现有助于理解脉冲星、也就是中子星的内部结构。”这个观测结果让冯骅和团队成员兴奋不已。
但数据的处理和解释也颇费功夫。“在偏振计算之外，我们还需折叠出蟹状星云的脉冲相位，把所有观测数据按脉冲周期叠加后得出结论。”叠加过程中的时间矫正又一次“超纲”，团队专门向高能所研究员请教，经过4周程序设计，完成时间矫正工作。
在冯骅看来，某些科学问题需要对一个科学目标进行长期的跟踪与观测，“极光计划”使用的立方星恰好成了大型天文项目的一种弥补手段，更重要的是，“‘极光计划’还为人才培养和交叉研究提供了很好的平台，复杂的大科学工程中，每个人做的东西都是细分的。像我们这样一个完整的天文项目经历，学生可以在科学论证、仪器测试和建设、发射后的运行等方面都参与进去，能够极大丰富同学们的学术训练。”冯骅说。
（本报记者 邓晖 本报通讯员 李婧）
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