清华用商业小卫星填补留白40多年的领域,登上自然子刊封面

1975年,美国航天局发射了人类历史上第一颗带有x光偏振探测任务的卫星。蟹状星云探测的结果令人鼓舞。出人意料的是,“出道是巅峰”,这一领域陷入了长期的停滞和等待。

“这是第一次,也是最后一次。”清华大学天文学系教授冯华在接受《澎湃新闻》专访时遗憾地表示。成像、能量和时间的变化,对宇宙源X射线的各种研究正在蓬勃发展,但偏振作为光子的基本属性之一,似乎被遗忘了。

5月11日,冯华的研究团队及其合作者报告称,搭载“极光计划”的X射线偏振探测器在卫星上观测一年后,探测到蟹状星云和脉冲星(一种中子星)的软X射线偏振信号,并首次发现脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化,表明脉冲星磁场在此过程中发生了变化。

这一成就以《自然天文学》封面文件的形式发表,标志着因技术困难而搁置了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开放。

这张封面纸注定不会重复“出道就是巅峰”的命运,而是成为这场大运动的前奏。极光项目采用的技术将应用于中国的下一个大型科学项目“增强型x射线时变和偏振观测台”(eXTP)。

另一方面,中国的天文前沿研究与低成本商业立方体星的相遇也值得关注。“极光计划”以清华大学为科学总体规划,以商业卫星公司天一研究所为卫星工程总体规划。

“被遗忘的”两极分化

偏振是光子的基本属性之一。偏振滤光器就像特定方向的栅栏,只允许相应偏振方向的光子通过。眼镜在观看3D电影时使用这一原理,选择一些光线进入左眼,另一种光线进入右眼以形成3D图像。

与我们熟悉的可见光相比,X射线的波长很短。虽然肉眼看不见,但它在天文学中非常有用。宇宙中有一些天体(如黑洞、中子星等)。)几乎不发射可见光,但能发射“明亮”的X射线,揭示天体磁场和几何形状的重要信息。

冯华说,自20世纪60年代以来,人类可以通过X射线望远镜探测到X射线的能量和时变信息,但一直无法解决X射线偏振探测的技术难题。这很有趣,但是很难。这是这个领域的基调。

美国发射的卫星是基于汤姆逊/康普顿散射或布拉格衍射探测的,效率很低。相当于光子的“选择条件”非常严格。其中很少能被捕获用于研究,导致统计数据和敏感性较差。因此,目标是具有非常明亮的X射线和强偏振的蟹状星云。

“蟹状星云非常特别,其他天体无法探测到它,就像你可以在人群中看到两米高的姚明一样。”冯华说得惟妙惟肖。

因此,在完成对蟹状星云的探索后,这个领域已经陷入了40多年的空白阶段。

谁将开启“新窗口”?

冯华和他的合作者采用了基于光电效应的新一代探测方法/对于具有几千电子伏特能量的x射线,他们与物质相互作用的主要机制是光电效应,光子被吸收,能量激发原子核外的束缚电子成为自由电子。电子加速的方向与入射光子的电场振动方向有关,即极化方向。

“就像你踢一个球一样,球最有可能朝你踢的方向飞出去。电子沿着入射光子的偏振方向出射的概率最大,垂直于偏振方向出射的概率最小。方位角为cos2分布。如果我们能测量探测器中电子的轨迹并计算出电子的出射方向,我们就能有效地测量X射线的偏振。”冯华曾经在一篇科普文章中写道。

尽管光电效应探测X射线偏振的方法是由意大利团队在2001年提出的,并引起了许多欧美研究团队的注意,但由于各种原因,卫星项目错过了机会。

这个“新窗口”最终将由中国打开。

冯华从2009年开始研究偏振测量。验证这个原理花了两三年时间,优化这项技术又花了两三年时间。然后他开始考虑让卫星进入太空。

会见商业立方体明星

2017年,当冯华和他的合作者已经获得一个成熟版本的探测器时,正是商业魔方之星在中国崛起的时候。

所谓的立方星是一种采用国际通用标准的低成本微型卫星。它被“U”除。1U(单位)立方星的体积是10厘米* 10厘米* 10厘米,它也可以形成2U、3U、6U甚至更大的立方星。“极光计划”的核心探测器只有火柴盒大小,非常适合作为乘客乘坐。

在这一想法的推动下,冯华的团队开发了第一个版本的空间有效载荷,在一年内完成了密集的调试和校准,并最终将其搭载在由天一研究所独立开发的10公斤级微型卫星平台上。

2018年10月29日,“铜川一号”从酒泉发射极光项目。

2019年7月23日,它捕捉到蟹状星云脉冲星在突然旋转期间的偏振信号变化。

载人航天工程应用系统总设计师顾一栋院士说:“极光项目成功地利用商用立方体星测量了蟹状星云和脉冲星的偏振信号,获得了脉冲星X射线偏振随时间变化的重要结果。同时,它突破了低成本开展空间天文学研究的创新途径,对促进高校空间科学的发展具有重要意义。”

作为一门由观测驱动的科学,天文学的发展在很大程度上依赖于新的飞行观测方法和手段。

就X射线偏振探测而言,在美国航天局发射探测卫星之前,美国使用探空火箭进行观测,并试图在几分钟的短时间内获得科学成果。从1968年7月到1971年2月,在31个月内进行了三次尝试,最后在第三次测量了蟹状星云的偏振。

1975年,美国宇航局的OSO 8号卫星发射升空,它的曝光时间与探空火箭的曝光时间大不相同。结果自然要漂亮得多。

然而,那个时代的天文卫星对卫星平台有很高的要求。它们通常是高吨级的大型卫星,每次都要花费数亿美元,而且研发周期很长。许多科学家被吓住了,只能停留在理论验证阶段。

尽管由于载荷重量的限制,小卫星不能完全取代大卫星,但它们无疑可以成为大卫星的良好补充,并完成在平台上着陆的验证,正如“极光计划”被应用于国际X射线天文学领域未来的旗舰项目eXTP。

天一研究所创始人兼首席执行官杨峰表示:“这是国内开发的微型卫星首次在国际顶级科学研究期刊上发表。”。“奥罗拉计划”的意义一方面在于空间科学的重大发现,另一方面在于空间工程的巨大进步。近年来,微型卫星在中国的兴起为新探测技术和方法的飞行验证提供了更低成本的可能性。”

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