愛因斯坦探針首圖發布，時域天文學將迎來新發展

4月27日，2024中關村論壇年會平行論壇空間科學論壇在京召開。由中國科學院牽頭實施的愛因斯坦探針（EP）衛星任務發布了第一批在軌探測圖像。衛星搭載了國際首臺寬視場X射線成像望遠鏡（WXT）和1臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。WXT由中國科學院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）與中國科學院國家天文臺（以下簡稱國家天文臺）聯合研制，其微孔光學（MPO）關鍵元件由北方夜視提供。

WXT指向銀河系中心的觀測圖像。圖片來源于X射線數據版權EP科學中心

“僅僅工程階段，就歷時7年時間。團隊從概念驗證開始，將一個個設想逐漸變為現實，現在這臺望遠鏡終于‘張開了眼睛’。”中國科學院院士、上海技物所研究員、WXT載荷的負責人孫勝利表示，“這個過程讓人非常激動和振奮。”

為什么需要愛因斯坦探針？

EP衛星是中國科學院空間科學二期先導專項立項并實施的空間科學衛星系列任務之一，由中方主導，歐洲航天局（ESA）、德國馬普地外物理研究所（MPE）和法國航天局（CNES）以國際合作形式參與衛星研制，旨在發現和探索宇宙中X射線暫現和爆發天體，并發布預警以引導其它天文設備進行后隨跟蹤觀測。WXT是目前國際上探測靈敏度和空間分辨率最高的大視場X射線望遠鏡，將在軟X射線這一新的監測窗口進行大視場、高靈敏度、快速時域巡天監測。

愛因斯坦探針衛星示意圖。圖片來源于上海技物所

太空中已經有為數不少的X射線衛星，如錢德拉X射線衛星、Nustar衛星、INTEGRAL衛星等。我們為什么還需要這樣一臺空間望遠鏡？

孫勝利用顯微鏡進行了類比：一般的電子顯微鏡能夠看到分子的結構，但看不清分子結構是如何變化的；同樣，以往的空間望遠鏡，可以研究天體的狀態，卻無法看清其動態過程。要了解宇宙的演化過程，就需要更深入的觀測能力、更廣的觀測范圍，這正是高能時域天文學關注的主要內容。

時域天文學的主要研究對象是暫現源和劇烈爆發天體。暫現源指在短時間內出現，又很快消失的天體，劇烈爆發天體則是指亮度在短時間內突然出現數量級式增長的天體。

國家天文臺研究員、EP衛星首席科學家助理張臣介紹：“黑洞潮汐瓦解恒星、伽馬射線暴等事件發生時，都會發出X射線。通過研究X射線，可以探索非常高溫、高能物理過程中的發生的物理事件。”

然而，在廣闊的宇宙中，這類突然事件的出現充滿隨機性，已有的空間望遠鏡很難觀測到。

EP衛星最大的特點是兼具高靈敏度和大視場。由WXT搜索以及定位暫現源，再由FXT進行對暫現源進行精確測量。EP衛星具有3850平方度的視場，覆蓋了約十一分之一天區，填補了國際上在軟X射線該波段的大視場全天監測設備的空白。

它將以國際上最高的探測靈敏度、在迄今監測范圍最廣的宇宙空間，發現突變天體和監測天體的活動性，發現和探索各種尺度的沉寂的黑洞，探測引力波源的電磁波對應體并進行精確定位。

十年磨一“星”

項目的起點要往回撥到2013年。這一年11月15日，中國科學院空間科學先導專項背景型號項目“愛因斯坦探針衛星”科學論證啟動會召開，到2024年1月9日成功發射，不可謂是十年磨一“星”。

回顧研制的歷程，這支“85后”為主的團隊，關關難過關關過，突破了一項又一項關鍵技術。

首先是X射線的聚焦問題。由于X射線的光子能量很高，穿透力極高且容易與原子發生相互作用，很難通過折射或反射進行聚焦。以往常用的方法為直線光學法和聚焦成像法兩種，而前者空間定位的精確度較差，后者的視場非常小，均無法滿足時域天文學的發展需求。

1979年，美國亞利桑那大學羅杰·安吉爾受龍蝦眼全發射成像的原理啟發，首次提出了一種仿生的X射線成像光學構型。這個光學系統可以滿足天文學家對大視場的需求，是X射線時域天文學所追求的下一代設備，但因為技術難度非常高，設想提出后數十年都未能實現。

2010年，國家天文臺開始探索微孔龍蝦眼X射線成像技術研究。“我們最初是打算購買國外的類似設備，但價格昂貴，且對我國存在技術和經濟方面的封鎖。”張臣指出。

經過多年技術攻關，國家天文臺聯合北方夜視成功研制出基于MPO技術的龍蝦眼X射線光學組件，同時依托上海技物所在衛星光學載荷研制方面積累的豐富經驗，終于集成研制出完整的WXT，該設備的關鍵器件均為我國自主研發。

上海技物所副研究員、WXT載荷主任設計師孫小進介紹，典型的龍蝦眼MPO鏡片是一個42.5mm×42.5mm的曲面，曲率半徑為750mm，每個鏡片上有近100萬個小方格，方格的大小為40μm×40μm，壁的厚度為8μm，光潔度達到0.83nm，這對整個相機關鍵元部件獲取和系統集成裝調提出了十分苛刻的要求。

尋找WXT焦面的光子探測器，則是另一大挑戰。20世紀90年代以來，X射線望遠鏡一般采用電荷耦合器件（CCD）作為焦面探測器。但國內目前尚無法制造滿足天文需求的科學級CCD，進口的價格十分昂貴。此外，以往常用的氣體探測器，可能會因為太空中的微流星和宇宙塵埃撞擊而失效。

團隊創新性地將背照式互補金屬氧化物半導體（CMOS）應用于探測X射線光子。盡管CMOS早已廣泛應用于數碼相機、手機攝像頭，但這是國際上首次將大面陣CMOS探測器應用于天文學探測。“我們使用的CMOS探測器具高性能、高靈敏度、高一致性的特點，且每個探測器面積達6cm×6cm。”凌志興指出，“這也是一個重要創新，目前還沒有其他項目使用過這么大規模的硅基成像探測器。” 

WXT專用背照式CMOS膜探測器。圖片來源于上海技物所

這樣一個超高精度的“廣角相機”，數據量驚人。如何在有限的處理芯片資源和低功耗環境下，實現望遠鏡對速率和性能的要求，是團隊遇到的一大難題。望遠鏡的峰值數據率為25.3G，相當于每秒生成25部1G的電影。

為保證數據的可靠性，一般而言需要將原始數據全部存儲下來，再傳到地面上進行后續的分析處理。但EP的原始數據量過大，無法通過星地之間的鏈路進行實時傳輸，因此，必須先在衛星上進行在軌數據處理，再將有效的信息下傳到地面科學運行中心。

“EP是在茫茫宇宙中尋找天文事件，在海量的數據中找到最有效的信息，同樣是‘大海撈針’的過程。”上海技物所高級工程師、WXT載荷軟件主管薛玉龍解釋。

團隊曾連續三個月，每天工作到凌晨三點，最終實現了高性能、低資源和低功耗之間的平衡。處理后的速率最終降低為5.127Mb，較原始數據量減少了四萬多倍。

“電子學硬件設計是一件需要嚴謹、細致和耐心的工作，在研發過程當中，如果有任何的疏忽和失誤都將造成巨大的損失。”上海技物所高級工程師、WXT載荷探測器主管顏愛良表示。正式在研制流程的保證和團隊協同努力下，最終實現了產品從設計、生產到發射、在軌觀測全流程的零失誤。

開放合作的典范

凌志興強調，EP衛星項目從理論走向現實，是精誠合作的產物。“這是多維度的合作，包括了國內外機構的長期合作、中國科學院內部多個單位集中各家優勢、研究院和企業共同攻關、科學家和工程師間深度交流、老中青三代成員攜手與共。”

2022年7月27日，WXT的一個實驗模塊（EP-WXT探路者，后命名為萊婭LEIA）搭載空間新技術試驗衛星（SATech-01）發射升空。該儀器觀測視場達340平方度，是國際上首個寬視場X射線聚焦成像望遠鏡，首批在軌實測結果顯示，單次（約13分鐘）觀測即可同時探測到多個方向上的X射線源，同時能夠記錄這些天體X射線輻射強度隨時間變化的信息以及天體的X射線能譜。在軌測試完成后，萊婭迄今已取得系列科學成果。

當時，X射線觀測領域專家、英國萊斯特大學教授保羅·奧布萊恩和理查德·威林蓋爾表示：“幾十年來，我們一直在期待一個真正的寬視場軟X射線望遠鏡，萊婭的成功運行令人振奮。這項技術將對X射線天空的監測帶來變革性的推動，這項試驗也表明了EP衛星巨大的科學潛力。”

隨著EP衛星首批在軌觀測圖像發布，時域天文學將迎來跨越式新發展。下一階段，EP將繼續按照既定計劃開展并完成在軌測試，加強國內外合作和數據開放共享工作，探測宇宙中轉瞬即逝的“焰火”，為高能時域天文觀測和研究做出有顯示度的貢獻。