該退了，為啥讓“慧眼”再干兩年

1月14日，“慧眼”衛星監控室。

液晶顯示屏上，顯示著(zhù)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”衛星繞著(zhù)地球飛行的第240個(gè)星期。

按照設計，它原本只有4年壽命，7個(gè)月前就該退役，可是，由于它的運行狀態(tài)一切正常，衛星平臺備用資源完好如初，于是科學(xué)家們召開(kāi)衛星延壽會(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，除了超期服役仍運行良好之外，它還一次次發(fā)現新的天體現象，這些讓它的成就者——“慧眼”衛星科研團隊獲得了2021年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。

作為“慧眼”的現任首席科學(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(xiàn)天文學(xué)非常興旺的時(shí)代?！?/span>

立項之路

沒(méi)想到走了18年

“慧眼”衛星的全名是“硬X射線(xiàn)調制望遠鏡”，它的出現與中科院院士李惕碚密切相關(guān)。

自上世紀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(chēng)高能所）的科研人員就利用高空氣球搭載硬X射線(xiàn)探測器，開(kāi)展高能天體物理觀(guān)測研究。

當時(shí)，硬X射線(xiàn)這個(gè)波段的天體成像觀(guān)測尤為困難，也使得探測器造價(jià)高昂。上世紀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 )立了一種直接解調方法，利用已有的不能成像的儀器，通過(guò)掃描觀(guān)測來(lái)實(shí)現高精度成像。

1993年，基于這種方法，李惕碚、吳枚等提出了硬X射線(xiàn)調制望遠鏡的設想，并得到了中國高能天體物理學(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)設想從提出到最終立項，竟歷經(jīng)了18年。

從1993年開(kāi)始，為了推動(dòng)立項，何澤慧、李惕碚等不停地奔走呼吁。他們心焦，因為立項進(jìn)度一拖再拖，科學(xué)新發(fā)現的空間一窄再窄。

“等待立項期間，美國和歐洲****了兩顆硬X射線(xiàn)天文衛星，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內，主要的工作之一是協(xié)助李惕碚，把“慧眼”項目做起來(lái)。

“我知道任何一個(gè)空間項目的立項和建設都是很不容易的，當時(shí)我國做這個(gè)規模的空間望遠鏡也不容易。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《中國科學(xué)報》。

項目組一等又是十年。

等待立項期間，科研人員在“慧眼”原先的設計基礎上，增加了中能望遠鏡、低能望遠鏡兩組探測器，使“慧眼”成為全球覆蓋能區范圍最大的X射線(xiàn)天文望遠鏡。

他們還緊跟國際發(fā)展前沿，不斷調整科學(xué)目標，優(yōu)化儀器設計，讓“慧眼”的科學(xué)能力始終具有國際優(yōu)勢。

時(shí)間不會(huì )辜負奮斗者的每一滴汗水。2011年3月，好消息終于傳來(lái)，國家批復硬X射線(xiàn)調制望遠鏡衛星工程正式立項。

就在這一年的6月20日，一直支持這一項目的何澤慧與世長(cháng)辭。

研制之路

曾感覺(jué)已經(jīng)

“黔驢技窮”

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

衛星立項之際，年僅30歲的劉聰展服從導師李惕碚的安排，從清華大學(xué)調入高能所，成為“慧眼”高能X射線(xiàn)望遠鏡的主任設計師。

他遇到的第一個(gè)難題，來(lái)自望遠鏡最核心的部件——閃爍晶體探測器。這個(gè)探測器需要使用一種國際上早已實(shí)現商業(yè)化的復合晶體，可是當劉聰展與國外廠(chǎng)商談“進(jìn)口”事宜時(shí)，他得到的答復卻是：“你們的應用里有‘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?！?/span>

進(jìn)口不行就自己干，接下來(lái)的小半年里，劉聰展走訪(fǎng)了很多國內相關(guān)行業(yè)廠(chǎng)商，決定走國產(chǎn)化道路?？墒?，國產(chǎn)化的艱難程度超出了劉聰展的預期，晶體的能量分辨率一直達不到“慧眼”的設計要求。

“當時(shí)企業(yè)做的產(chǎn)品都是民用，對品質(zhì)的要求沒(méi)有那么苛刻。廠(chǎng)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(chǎng)家才最終將國產(chǎn)化的路走通。

類(lèi)似的困境，“慧眼”團隊遇到過(guò)很多。但憑借闖關(guān)精神，他們攻破了一個(gè)個(gè)難題。衛星有效載荷總設計師盧方軍曾用兩個(gè)字來(lái)形容“慧眼”的研制過(guò)程——艱難。

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

最終，“慧眼”的高能X射線(xiàn)望遠鏡擁有國際最大有效面積的閃爍晶體探測器陣列；中能X射線(xiàn)望遠鏡使用的硅陣列探測器，實(shí)現國產(chǎn)半導體X射線(xiàn)探測器首次且大規模的空間使用；在低能X射線(xiàn)望遠鏡方面，科研人員自主研制出百納米厚度的透軟X射線(xiàn)遮光膜。

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

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

運行之路

憑實(shí)力迎幸運連連

運行期間，“慧眼”實(shí)現了原定的科學(xué)目標，產(chǎn)出了很多重要成果。2019年8月，“慧眼”發(fā)表了X射線(xiàn)脈沖星導航的高精度實(shí)驗成果。2020年8月，“慧眼”首次直接測量到迄今宇宙中的最強磁場(chǎng)等。

但“慧眼”超出預期的“意外之喜”似乎更令科學(xué)家們興奮。

“慧眼”地面應用系統科學(xué)運行中心負責人賈淑梅記得，第一次“意外之喜”發(fā)生在“慧眼”在軌測試期間。

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)機遇觀(guān)測，將“慧眼”瞄準距離地球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了地球，這是人類(lèi)首次直接探測到的中子星并合引力波事件。

監控室見(jiàn)證了一個(gè)不平靜的夜晚。當時(shí)全球僅有4臺X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)空間望遠鏡成功監測到爆發(fā)天區，中國的“慧眼”便是其中之一?！盎垩邸睂σΣū┰谫ゑR射線(xiàn)能區的輻射性質(zhì)給出了最嚴格的限制，為全面理解該引力波事件和引力波閃的物理機制作出了重要貢獻。

這是“慧眼”地面運行系統的第一次應急演練?！啊垩邸?/4的時(shí)間用于機遇觀(guān)測，地面運行系統的科研人員時(shí)刻都準備著(zhù)響應科學(xué)家開(kāi)展機遇觀(guān)測的要求?！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，出現頻繁的X射線(xiàn)爆發(fā)。4月28日一早，賈淑梅又一次接到機遇觀(guān)測的通知。

就在他們將“慧眼”對準磁星后的幾個(gè)小時(shí)，加拿大CHIME實(shí)驗和美國STARE2實(shí)驗同時(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(guān)測到了一個(gè)超亮X射線(xiàn)暴，而8秒正好對應于星際介質(zhì)對射電信號造成的時(shí)延。

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

此外，通過(guò)機遇觀(guān)測，他們還發(fā)現了迄今距離黑洞最近的高速?lài)娏骱吞与x黑洞的高速等離子體等具有國際影響力的重要天體物理現象。

令他們更加驚喜的是，一度趨于冷門(mén)的X射線(xiàn)天文學(xué)，在“慧眼”運行期間強勢復活，使得“慧眼”出人意料地贏(yíng)得了來(lái)自國際天文和天體物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。

“天上的事不可預測，只有有了這個(gè)觀(guān)測能力，才有可能抓住機遇?！薄盎垩邸钡孛鎽孟到y副總設計師宋黎明說(shuō)。

一切偶然皆為必然。如果不是科學(xué)家們28年的堅守，機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——增強型X射線(xiàn)時(shí)變與偏振空間天文臺（eXTP）有望在2027年前后****運行。

中國X射線(xiàn)天文學(xué)研究華燈初上。

《中國科學(xué)報》 (2022-01-21 第1版 要聞 原標題為《“慧眼”衛星帶來(lái)的意外與驚喜》)

編輯 | 趙路
排版 | 郭剛