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窗口40余年后重启!清华团队探测到来自蟹状星云信号

今天小编为大家带来了一篇《窗口40余年后重启!清华团队探测到来自蟹状星云信号》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

至和,是宋仁宗使用的第八个年号。

改元,是因为上一年天有异象,期望避凶化吉。但至和元年,异象再生。《宋史》记载,“自至和元年五月,客星晨出东方。”

后来,这颗“客星”爆炸,七八百年后,人类又多次观测到客星的残骸,因其形似甲壳类动物,被称为“蟹状星云”。

这个位于金牛座东北区域,距离地球约6500光年的“蟹状星云”,中心区域是一颗脉冲星,高速旋转,不断喷射电磁脉冲信号、电场风和带电粒子,一直受到天文学家的高度关注。

冯骅在调试仪器

2018年10月,清华大学一位叫做冯骅的年轻教授和他的学生,也把目光对准了“蟹状星云”。

坚持不懈地探测,终于结出硕果——冯骅团队成功探测到“来自蟹状星云及脉冲星的软X射线偏振信号”,一个停滞了40余年的天文观测新窗口,在中国科学家的带领下成功重启。

3D宇宙

蓝色的宇宙中,一团白色的星云,旋转、喷射,一颗小小的卫星,正向着星云前进……这是今年5月《自然·天文》杂志的封面,讲述的是一位中国科学家及其团队的成果。

冯骅来自浙江,1997年考入清华大学,出于对物理的喜爱,选择工程物理专业。虽然当时,他对工程物理学什么,还有些懵懂,但四年的本科学习让他受益匪浅。“基础物理研究需要工程的支持,越是对未知的领域的探索,对工程的要求越极端。”冯骅回忆,“可能正因为当时受到了两方面的训练,我才走进了空间天文仪器的领域。”

四年光阴,转瞬即逝。本科毕业,冯骅继续留校深造,并拿下核科学与技术博士学位。结束四年国外科研工作,2008年11月,冯骅回到清华大学工程物理系任教。2019年4月,清华大学成立天文系,作为天文系前身清华大学天体物理中心成立之初的博士生,冯骅加盟天文系,同时任工程物理系兼职教授。

“天文系好不好与望远镜的口径成正比。”冯骅曾如此开玩笑,在他看来,天文学是一门观测驱动的科学,其发展在很大程度上依赖于新的观测方法和手段,即天文观测的新窗口。

“如果把天文学设想为一列火车,望远镜和探测器就是车头,”冯骅打了个比方,“天文学家一方面把望远镜做得更大更灵敏,让火车跑得更快,同时还在思考如何修建新的铁路,开凿新的隧道,让火车可以领略不同的风景。”

“X射线偏振观测”,就是冯骅想要寻找的“新铁路”。

天体物理,太过深奥,冯骅努力说得浅显。“看过3D电影吧。” 冯骅说,看3D电影,要戴个墨镜,这墨镜就是一个偏振的滤光片,可以帮助观众看到3D的图像。“X射线偏振观测”,就是要在X射线波段观看宇宙里新的维度,“这对高能天体物理研究意义重大。”冯骅说,“我们感兴趣的黑洞、中子星这类极端天体的光学辐射很弱,却是很强烈的X射线辐射体,利用X射线偏振测量,可以获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性,从而进一步理解与这类极端天体密切相关的天文现象的物理过程发生机制。”

世界各国的科学家们一直在寻找这条“新铁路”,40年前,曾经成功过一次。1975年,美国科学家曾通过搭载在OSO-8卫星上的探测器,首次精确测量并发现蟹状星云的X射线辐射具有高度线偏振。

“那是第一次实验,也是此后40余年间最后一次实验。” 冯骅说,重启天文观测新窗口,成为他追逐的目标。

极化的光线

科学家第一次探测到蟹状星云X射线偏振时,冯骅还没有出生。

40余年停滞,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。2001年,意大利科学家证实了一种软X射线偏振测量是“近乎理想的探测技术”,被视为这一领域的“转机”。此时,冯骅本科毕业,进入最旺盛的科研状态。

一切似有天意。

2009年,冯骅开始带领团队,在国际合作的基础上,对X射线偏振探测技术进行探索和改进。

越来越多的年轻人加入其中。

2010年初,尚在清华工程物理系读大三的李红,向老师冯骅请教问题,虽然当时对X射线偏振探测知之甚少,但和冯骅一聊,她立刻发现,“这个方向具有重要前景,而且也能用到本科所学的工程物理知识。”

以本科毕业设计为起点,李红跟随冯骅攻读博士学位,全身心投入到X射线偏振测量方法和仪器的研究中。

这对师生的目标很明确,要做出一款能满足空间应用需求的长寿命、高性能X射线偏振探测器。根据他们的设想,在一个火柴盒大小的传感器中,X射线通过铍窗进入,与探测气体发生光电效应产生光电子,之后,通过测量光电子穿过气体留下的二维径迹,即可推断出X射线的偏振信息。

原理虽然明晰,但实践颇为周折。单是把探测气体密封在“火柴盒”内,使其长期稳定工作,就花了两年多的时间。

实验初期,探测器总是在短时间内被烧坏,核心部件因高压放电被击穿,找不到原因,李红很着急,冯骅倒是没有过多的催促,扛得住失败,耐得住寂寞,是成功的必由之路。

反复测试之后,团队终于发现气体纯度是“罪魁祸首”。为了攻克难题,他们多方取经——

超高真空技术方面的问题,请教中国计量科学研究院和清华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;

探测器封装环境方面有差距,就搭建超净室、烘烤除气,想方设法降低杂质成分;

为了将气体纯度从99.9%提高至99.999%,他们找到了专门做高纯气体的研究所,但因为所需量太少,研究所开始并不愿意做,几经沟通,才签署协议;

……

屡战屡败,屡败屡战。

探测器终于迎来“质变”,寿命从最初的半个小时,延长至5到10年。

2017年,冯骅团队打造的高灵敏度、低系统误差的X射线偏振探测器终于在实验室研制成功,并且通过了一系列空间环境模拟试验检验。

2018年10月,冯骅团队启动“极光计划”,这也是清华大学主导的首个空间天文项目。

“极光计划”(PolarLight)这个名字,缩写自轻型偏振仪(Polarimeter Light),也源于“偏振”一词,即“极化的光线”。

以“年”为单位的科研

天体物理的研究,是一项以“年”为单位的科研。而X射线偏振探测器的研制,足足花了十年。

2018年10月29日,甘肃,酒泉。“铜川一号”立方星升空,搭载着“极光计划”探测器顺利来到近地轨道,经过多轮调试,当年12月18日,探测器开启高压投入运行。

自此开始,冯骅团队的另一位博士生龙翔云,每天都有一项雷打不动的任务,为探测器编写“日更”指令集。至今,龙翔云仍在坚持,已完成3000多次开关机指令。

“我们以蟹状星云脉冲星的位置信息为基础,结合卫星轨道信息,目标源、卫星和地球的相对位置,形成开关机、转向等指令,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。”龙翔云介绍着,很难想象,这个年轻人是靠自学编程,完成的控制程序设计。

去年7月,探测器进入常规观测,每隔几天,观测数据会由卫星公司传输给团队,再由研究人员处理数据。

7月下旬,李红处理数据时发现,蟹状星云自旋突变的偏振度变低,她以为是探测器出了问题,赶紧向导师汇报。冯骅没急着判断,提醒李红,蟹状星云的脉冲星在前几天出现了一次自旋突变,“异常”会不会与此有关。

似“时钟”般运转精确的脉冲星常会在某一个时间点发生一次自旋周期突变,然后慢慢恢复,这种自旋突变是一种有待研究的天文现象。经过更为深入的数据分析,团队确认,“极光计划”探测到偏振信号变化时间与蟹状星云脉冲星的自旋突变时间——7月23日吻合,并且通过持续监测,在几十天后,其偏振信号又恢复了。

在偏振计算之外,团队还需折叠出蟹状星云的脉冲相位。龙翔云说:“蟹状星云的脉冲约为33毫秒一个周期,一次脉冲获得的信号非常少,为了提高信噪比,我们需要把几个月内获得的所有观测数据按脉冲周期叠加后得出结论。”

龙翔云记得,当时试了很多方法但并没有看到脉冲,尝试了一两周之后,他甚至开始怀疑是不是数据有问题。冯骅鼓励他,别轻言放弃,再检查检查程序……

终于,龙翔云找到了问题,完成了叠加,预想中的脉冲出现了。

更大的惊喜来了。“极光计划”从蟹状星云里面探测到的偏振信号,与40多年前OSO-8卫星的偏振仪探测到的信号一致。

不止于此。“这还是首次探测到脉冲星自转突变和恢复过程中的软X射线偏振信号变化,说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。” 冯骅兴奋地说,科学家有望通过观测证据进一步理解“脉冲星如何辐射”“其X线辐射从哪里来”等未解之谜。

停滞了40余年的天文观测新窗口,就此重启。

更大的愿景,也自此展开。“极光计划”所采取的技术将被应用到我国下一代大科学工程“增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP)”上,这个由中国领导的大型中欧合作项目,预计2027年发射。蟹状星云脉冲星之外,X射线探测器对人类发现的第一个宇宙X射线源“天蝎座X-1”也有一些数据积累,并将纳入下一步工作计划。

冯骅(右)与博士后李红(左)在进行实验

天格“织网”

令冯骅兴奋的,不仅仅是科研成果,还有“极光计划”的育人功能。“‘极光计划’从研制与标定、运行与观测、数据分析与发表的周期来看,恰好适合培养一名博士生。” 冯骅说。

除了“极光计划”,“铜川一号”立方星上,还装载着“天格计划”首个探测器,这是一个完完全全的学生项目。

“极光计划”立方星和探测器结构示意图

2016年2月11日,“人类首次直接探测到了引力波”的消息震动世界。清华大学工程物理系学生温家星也很是兴奋,他与冯骅和导师曾鸣的一次聊天,催生出一个大胆的计划——能否利用若干小卫星搭载伽马射线探测器,在距离地面约600千米的不同轨道形成一个全天覆盖的伽马射线暴探测网络,捕捉引力波对应的伽马射暴,进而完成定位。

在老师的支持下,2016年10月,温家星提出“引力波暴电磁对应体探测网”,并发起了“天格计划”学生兴趣团队,吸引了来自清华大学工程物理、物理、航院、电子和机械等各个院系的35名同学参与。

看起来很酷的项目,其实是不分昼夜的奋斗,重复枯燥的实验和调试。但兴趣总能激发最大的能量。2016年10月至2017年4月,“天格计划”学生团队组织了上百次学术讨论,完成了科学论证,撰写两万余字的科学建议书……

首星临近发射,精心打造的探测器虽然经过全套空间环境测试,但在卫星总装时遇到了意外损毁。时间紧迫,是放弃发射,还是冒着风险加紧组装测试下一个探测器?

不能放弃!“天格计划”的成员几乎72小时不眠不休测试,最终成功完成任务。

2018年10月29日8时43分,“天格计划”的首颗探测器发射入轨。

“发卫星是国家的事,你们大学生还是歇着吧……”科研过程中,曾有人质疑,温家星他们并没有沮丧,正是这份坚持,让他们仰望星空并迎来收获。去年6月, “天格计划”学生团队已经获取了“天格计划”首个探测器的第一轨科学数据,“二号星和三号星的探测器都已研制出炉,并已完成性能标定,预计今年8月后择机发射。” 温家星说。

在“天格计划”中,冯骅的严谨,令温家星印象深刻,冯骅对写文章要求很严,甚至“数字和单位写法”也会要求,实验相关的每个数据必须给出误差,“误差怎么给”“有效数字怎么得出”“误差给物理目标带来多大不确定性”都必须分析得明明白白,“作为学生,我们最开始不注意这些,但冯老师要求很严,确保我们每一步都走得特别扎实。”

发现和培养年轻学生,的确是冯骅最爱的工作。虽然科研工作很忙,但冯骅还会经常写科普文章,传播天体物理知识。他还利用假期,奔走于全国各地的多所中学进行科普讲座,以唤起年轻学生仰望星空的梦想。

点开清华大学官网冯骅的个人主页,页面上,有一幅图格外醒目——

夜空如幕,繁星璀璨,圈圈星轨,好似通向宇宙秘境的无垠隧道。

夜幕之下,清华主楼,灯光不灭……

一个个美丽的梦想,正在变成现实!

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