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冥冥之中，跨越了千年，

我們宋代的記錄跟我們自己的記錄

通過“天關(guān)”聯(lián)系在了一起。

當(dāng)國外公司說不承諾交貨的時(shí)間、地點(diǎn)甚至是質(zhì)量后，我們決定自己造

張臣· 中國科學(xué)院國家天文臺研究員

格致論道第117期 | 2025年1月18日北京

大家好，我是張臣，來自中國科學(xué)院國家天文臺，今天想和大家分享關(guān)于一顆衛(wèi)星的故事。

這是由中國空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)資助的一顆衛(wèi)星，它一度被稱為“愛因斯坦探針”（EP）。但是交付以后，它就有了一個(gè)新的名字——“天關(guān)”。

“天關(guān)”上面有兩個(gè)載荷。中間的載荷是后隨X射線望遠(yuǎn)鏡，叫“風(fēng)行天”。外側(cè)像花朵一樣的是寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡，我們給它取了一個(gè)昵稱，叫“萬星瞳”，也就是我們今天故事的主角。

“天關(guān)”是中國古代的天文學(xué)家給金牛座中一顆恒星起的名字。

在1054年的時(shí)候，我們觀測到天關(guān)附近有顆大質(zhì)量的恒星爆炸了。于是宋代天文學(xué)家寫下了：“客星晨出東方，守天關(guān)”，這就是天關(guān)客星。

▲左：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的蟹狀星云（可見光）

右：錢德拉X射線天文臺拍攝的蟹狀星云（X射線）

這顆恒星爆炸千年之后的今天，我們?nèi)匀荒軓墓鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡中看到了它壯麗的墳?zāi)?，也就是著名的蟹狀星云?/p>

然而，如果我們用X射線望遠(yuǎn)鏡去看，就能看到這片星云中間的中子星和它制造的星風(fēng)?？恐凶有亲孕臏p速，這個(gè)星云閃耀了上千年。這就是X射線天文學(xué)的魅力。我們能夠透過它看到我們?nèi)庋劭床灰姷臇|西，了解天體的本質(zhì)。

▲左：白矮星剝奪伴星氣體

（圖源：NASA/CXC/M. WEISS）

右：黑洞潮汐瓦解恒星

（圖源：Tidal disruption event - Wikipedia）

在1054年這顆恒星爆炸的時(shí)候，我們預(yù)測那時(shí)在天上能看到一個(gè)比太陽更加明亮的X射線源。它很快地出現(xiàn)又很快地消失，我們稱之為暫現(xiàn)源。由于X射線的產(chǎn)生機(jī)制，X射線天文學(xué)往往跟這種活動(dòng)性最強(qiáng)也是最極端的環(huán)境相關(guān)。比如黑洞吞噬恒星，中子星、白矮星吸積周圍的物質(zhì)等。這就給天文學(xué)家和物理學(xué)家提供了一個(gè)地球上完全無法復(fù)現(xiàn)的極端的實(shí)驗(yàn)室，這也是為什么天文學(xué)家們總想逮到這些“宇宙焰火”。

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向龍蝦學(xué)習(xí)

但是，如果想在地球上觀測X射線星空，我們什么也看不見，因?yàn)榇髿鈱影盐覀儽Ｗo(hù)得太好了。只有到了航天時(shí)代，我們把衛(wèi)星和載荷送到大氣之外，X射線天文學(xué)才真正地誕生并發(fā)展了起來。

▲左：光學(xué)鏡頭組與35毫米膠片

右：X光片

這就有一個(gè)問題。X射線光子的粒子性太強(qiáng)了，一個(gè)X射線光子的能量大概相當(dāng)于幾千個(gè)可見光光子的能量，所以我們無法使用傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備，比如左圖中這樣的鏡頭對它進(jìn)行匯聚成像。這也是為什么我們在醫(yī)院看到的X光底片（現(xiàn)在都是數(shù)字化X射線技術(shù)，DR，這里指其使用的數(shù)字底片）都是如此大，比傳統(tǒng)的相機(jī)膠片要大很多。

天文上唯一實(shí)用的方式就是掠射：X射線入射到一個(gè)與它近乎平行的反射面上時(shí)，就會(huì)像打水漂一樣發(fā)生反射。這個(gè)紅色的線畫得比較夸張，但實(shí)際上X射線的方向變化非常小。

▲反射面的精度需要達(dá)到原子級

除此之外，由于X射線波長非常短，所以我們需要一個(gè)超光滑的反射面，反射精度要達(dá)到原子級。也就是說，這個(gè)反射面上一個(gè)原子的凸起都是不被允許的。

▲左：掠射成像示意圖（NASA/CXC/D. Berry）

右：錢德拉X射線天文臺的鏡頭（NASA）

而由于反射面和入射光幾乎平行，我們又需要有足夠多的光子來供我們研究，這就需要把這些反射面嵌套起來。這就是傳統(tǒng)上用于成像的X射線望遠(yuǎn)鏡的基本原理。

右圖就是錢德拉X射線天文臺（Chandra），這是迄今為止X射線領(lǐng)域最好、最貴的望遠(yuǎn)鏡。但是它的缺點(diǎn)是什么呢？視場太小了，小到幾乎沒有可能抓住暫現(xiàn)源。因?yàn)闀含F(xiàn)源的出現(xiàn)是隨時(shí)隨處的，在任何時(shí)候，任何地方都可能出現(xiàn)，那只有用一個(gè)視場很寬的望遠(yuǎn)鏡才能抓住這些暫現(xiàn)源。

那么，有沒有寬視場X射線成像方法呢？

▲左：https://www.nasa.gov/topics/technology

/features/lobster-eyes.html

右：J. Comp. Physiol., A175, 749-759,1994

把時(shí)間回溯到1979年。當(dāng)時(shí)美國的羅杰·安吉爾（Roger Angel）教授看到了一張龍蝦眼的顯微照片。大家看，龍蝦眼跟人眼很不一樣，人眼靠折射成像，而龍蝦的眼睛上遍布方孔型的結(jié)構(gòu)，它是靠反射成像的。

▲Lobster eyes as X-ray telescopes

Angel, J. R. P.

ApJ, vol. 233, 1979, p. 364-373.

這就給安吉爾教授了一個(gè)啟示，他認(rèn)為這樣的結(jié)構(gòu)可以提供X射線寬視場成像。在一個(gè)球面上密布這樣內(nèi)壁很光滑的方孔型結(jié)構(gòu)，當(dāng)X射線在鄰近的兩個(gè)壁發(fā)生兩次反射以后，就會(huì)形成中間圓形的一個(gè)像斑。如果光線只在反射壁上發(fā)生一次反射，則就會(huì)形成龍蝦眼典型的十字形像斑。

但是，這樣的原理提出來之后的30多年里，都沒有人做出真正能投入天文觀測的“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡。

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極致精巧的制作工藝

在2010年的時(shí)候，我的導(dǎo)師張雙南老師在國家天文臺成立了X射線成像實(shí)驗(yàn)室，之后我們就開始了這種望遠(yuǎn)鏡的研究。其中的難點(diǎn)在什么地方呢？

這是我們的鏡片?？雌饋硎且粋€(gè)平平無奇的玻璃片，但是如果我們把它放到顯微鏡下，就可以看到上面密布著這樣的方形結(jié)構(gòu)，跟龍蝦的眼睛真的非常相似。

其中每一個(gè)方形小孔的邊長都只有40微米，大概就跟一根粗點(diǎn)的頭發(fā)絲差不多。而在這個(gè)鏡片上面，就有大概將近百萬個(gè)這樣的微孔。要真正做這種微孔的高精度加工，是一件非常困難的事情。

我手上拿到的是我們實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)“龍蝦眼”光學(xué)鏡片，是我們從國外合作者那里拿到的。那個(gè)時(shí)候，這個(gè)鏡片的價(jià)格大概是我一年的工資。照片中的我比現(xiàn)在演講的我可能還要更緊張一點(diǎn)。所以圖里我右手是虛托著的，就怕把它掉到地上。

當(dāng)時(shí)在世界上，只有一家法國公司能夠做出這種鏡片，跟他們談判時(shí)我們處于絕對的劣勢。當(dāng)我們第一次拿到他們產(chǎn)品的時(shí)候，我們都驚呆了。因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)其中有一半的鏡片是不能用的。接著我們又跟他們談判，說我們“天關(guān)”上面需要400多個(gè)鏡片，你們要怎么辦？他們說他們不能承諾交貨時(shí)間，不能承諾交貨地點(diǎn)，也不能承諾交貨的質(zhì)量。

這個(gè)時(shí)候，北方夜視這家國內(nèi)的公司找到了我們，說他們也在做這個(gè)，請求合作。他們是一家國企，他們的責(zé)任感使他們下定決心一定要把這件事做出來。

我們看一下龍蝦眼鏡片到底是怎么做的，它的制作方法真是非常巧妙的。先給方形玻璃管里套上一個(gè)玻璃柱，然后把這兩個(gè)復(fù)合體熱熔以后拉絲，拉絲以后疊在一起再拉，這就稱之為復(fù)絲。之后我們把這些復(fù)絲排列熔壓到一塊，然后切片。

這時(shí)候最精華的部分來了，中間的玻璃柱實(shí)際上是不耐腐蝕的，我們把它丟到先酸后堿的溶液里面，把中間的玻璃柱子腐蝕掉，剩下的就是外面的玻璃皮兒，這樣就構(gòu)成了像龍蝦眼一樣的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

這是一位女性工藝人員正在把她左手上各種各樣的絲插到模具里面，這樣才能夠排列出一個(gè)很好的產(chǎn)品。在工藝線上有很多這樣的女性工藝人員，她們手更巧、心更細(xì)。

▲左：萬星瞳的光學(xué)鏡片技術(shù)驗(yàn)證件

這是我們的起點(diǎn)，是我們“萬星瞳”的光學(xué)鏡頭技術(shù)驗(yàn)證件，上面銀色的部分都是進(jìn)口的，黑色部分是我們的。第一批次產(chǎn)出的時(shí)候，我們的鏡片質(zhì)量相當(dāng)差。如果沒有跨越式的發(fā)展。這是絕對不能用到衛(wèi)星上的。

但是，我們的同事和團(tuán)隊(duì)非常努力，讓鏡片質(zhì)量不斷提升，到最后我們就“鳳凰涅槃”了?，F(xiàn)在，我們的鏡片出口到了美國、德國、英國、日本。我們做到了。

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不用任何定語，我們就是領(lǐng)先

有了鏡片之后，還得把鏡片安裝到支架上，才能做成完整的鏡頭。這個(gè)安裝的精度有多高呢？在垂直方向上，它的誤差不能超過頭發(fā)絲的1/10。

還有一個(gè)問題，鏡片非常軟，拿起來的時(shí)候就變形了，成像就會(huì)畸變。而上天是要經(jīng)過發(fā)射段劇烈震動(dòng)的，所以我們在做振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，要用大螺栓把它緊緊固定在上面。這些難題要求我們必須要做到輕拿輕放、精確安裝，還要固定可靠。

這樣的要求，我們是靠一個(gè)全自動(dòng)化的裝調(diào)設(shè)施做到的。我們使用機(jī)械手把這些鏡片精確地放置到相應(yīng)的位置上面，然后輕輕地點(diǎn)上膠水。24個(gè)小時(shí)以后膠水凝固，鏡片就牢牢地粘在框子上面了。憑借這套設(shè)施，我們在1年內(nèi)做了12套鏡頭。而國外合作者的速度呢？1年1套。

我們剛才也提到，龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡自概念誕生以來，就獲得了天文學(xué)家們的高度關(guān)注。當(dāng)知道我們這顆衛(wèi)星要立項(xiàng)的時(shí)候，歐洲空間局就找到了我們尋求合作，他們想加入我們的項(xiàng)目。

那么，既然要國際合作，那我們的產(chǎn)品肯定不能只由我們自己來驗(yàn)證。于是，我們跟他們商量好，決定到他們指定的機(jī)構(gòu)去測試，由他們來操作數(shù)據(jù)處理和測試，我們不用到場。

當(dāng)時(shí)我們自己也很自信，于是就把我們的產(chǎn)品送到了英國萊斯特大學(xué)。第一次測試后，他們就在會(huì)議上“打”了我們的臉，說他們的測試結(jié)果跟我們的測試結(jié)果差了很多，他們復(fù)現(xiàn)不了那么好的測試結(jié)果。

當(dāng)時(shí)我們很抓狂，第二天就到英國去了。到了英國的兩三天后，我們就發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是他們做錯(cuò)了。為什么？因?yàn)槲覀兊溺R片質(zhì)量遠(yuǎn)超出他們的想象，他們設(shè)置的測試系統(tǒng)無法給出正確的測試結(jié)果。

我是真的很郁悶，于是就找到他們的負(fù)責(zé)人，跟他們好好地聊了一天，把他們的經(jīng)驗(yàn)全部“挖”了一遍，然后帶著這些經(jīng)驗(yàn)回國了。

第二次測試，我們?nèi)チ说聡呐颂兀≒anter）X射線束流測試設(shè)施，這是世界級的權(quán)威機(jī)構(gòu)。我們把鏡頭送過去后測試出了很漂亮的結(jié)果，他們說是教科書般的結(jié)果。但是我們其實(shí)還是犯了錯(cuò)誤。

大家看紅圈里面那個(gè)鏡片，明顯錯(cuò)位了。這個(gè)時(shí)候我們又抓狂了。我們從頭到尾地翻啊翻，尋找到底是什么原因。

后來發(fā)現(xiàn)是這樣的。大家看，每一個(gè)鏡片都有自己的參數(shù)。這些鏡片都放在盒子里，我們區(qū)分鏡片的唯一方法就是通過盒子上的標(biāo)識，但如果鏡片放錯(cuò)了盒子，那我們裝配的時(shí)候就會(huì)裝錯(cuò)。

正因?yàn)檫@樣，我們團(tuán)隊(duì)里面就誕生了幾位“強(qiáng)迫癥”，到現(xiàn)在為止我都還有點(diǎn)“強(qiáng)迫癥”。我們會(huì)懷疑每一個(gè)鏡片是不是都裝錯(cuò)了，然后反復(fù)地核查參數(shù)，只要對這個(gè)鏡片有一點(diǎn)懷疑都會(huì)打回去重新測試。

北方夜視的同事真的容忍了我們很多無理的要求，在一年之內(nèi)對有些鏡片反復(fù)地進(jìn)行測試、確認(rèn)，最后第三次測試，我們把正樣送到了潘特設(shè)施，這一次終于完美了。

大家看，左邊是當(dāng)時(shí)在潘特測試的一個(gè)國外類似設(shè)備的成像效果，右邊是我們的。對比非常明顯，我們贏得很漂亮。不用加任何定語，我們就是領(lǐng)先于他們。我們的工匠精神得到了回報(bào)。

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給龍蝦眼最好的視網(wǎng)膜

現(xiàn)在鏡頭有了，那傳感器用什么呢？最開始的時(shí)候，我們想用氣體探測器，X射線光子跟氣體作用產(chǎn)生正離子、電子對，然后再用一個(gè)讀出電路把信號讀出來就可以。

但是氣體探測器有一個(gè)問題，就是萬一在空間里漏氣了，那這個(gè)設(shè)備就毀掉了。后來我們得知國內(nèi)也有人做固體探測器，就是CMOS，于是就毫不猶豫就選擇了它。這也是世界上第一次在空間中大規(guī)模使用CMOS傳感器。

我們的工作人員正在裝一個(gè)相機(jī)，相機(jī)上有4個(gè)CMOS傳感器，每一個(gè)CMOS都很大，比常見的民用全畫幅CMOS要大出好多。

▲左：1600萬像素

右：單光子X射線圖像

大家看，每個(gè)CMOS傳感器有1600萬像素。右邊這個(gè)圖里都是單光子成像，上面每一個(gè)白色的點(diǎn)都是一個(gè)X射線光子，看起來好像沒有什么規(guī)律。

但是我們簡單處理一下，這就是“龍蝦眼”成的像。

“萬星瞳”上面一共有48個(gè)CMOS，一秒鐘工作20幀，每秒產(chǎn)生150億個(gè)像素的數(shù)據(jù)，而從中要提取的有效數(shù)據(jù)只有1000個(gè)。這就要求我們的前端電子學(xué)需要高效、可靠地鑒定百萬分之一的真實(shí)數(shù)據(jù)。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所孫勝利院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)花了大力氣來做這件事情。

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不出意外的是，意外果然來了

終于，萬事俱備。

但是，我們用了太多的新技術(shù)。在上天之前，我們能否有機(jī)會(huì)驗(yàn)證一下我們的新技術(shù)呢？

正好在2022年的時(shí)候，中國科學(xué)院的“力箭一號”火箭迎來了首飛，他們提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，就是說他們可以免費(fèi)幫我們把載荷送上去，但是有一個(gè)條件，就是“生死不論”。

免費(fèi)、生死不論，這兩個(gè)詞讓我們的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)時(shí)候非常焦慮。原因是什么呢？一是我們怕失敗，怕火箭發(fā)射失敗。二是如果我們在這個(gè)時(shí)候出了問題，那要改動(dòng)的東西就太多了，我們已經(jīng)沒有太多的時(shí)間。

但是，我們本著求真求實(shí)的精神，決定上！“天關(guān)”首席袁為民老師給這個(gè)勇敢的載荷取了個(gè)名字叫LEIA（萊婭），也就是《星球大戰(zhàn)》里那個(gè)美麗的公主的名字。

萬幸的是，“力箭一號”非常順利地入軌了。然后我就每天都跑去問運(yùn)行的同事，今天開不開機(jī)？今天開不開機(jī)？我們同事本來都還挺淡定的，后來被我問煩了。

▲First Wide Field-of-view X-Ray Observations

by a Lobster-eye Focusing Telescope in Orbit

在軌龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡的首個(gè)寬視場觀測

ApJL，Vol 941，Num 1

終于有一天，它開機(jī)了。開機(jī)第一天我們拿到了圖像，看到了銀河系中心那些個(gè)十字形的像斑，我就知道一切都值了：我們比當(dāng)時(shí)在軌所有寬視場設(shè)備的觀測質(zhì)量都好。這是寬視場的X射線成像望遠(yuǎn)鏡在世界上的第一次成像觀測。

我們的英國合作者說：“我們等這個(gè)望遠(yuǎn)鏡等了20年”。美國的安吉爾教授也給我們發(fā)來了賀信，他說：“你們很棒！”

但是不出意外的是，意外果然來了。

我們這個(gè)設(shè)備工作的時(shí)候，前端會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要一個(gè)回路熱管把熱量導(dǎo)出去，不然設(shè)備就會(huì)過熱。但是，回路熱管啟動(dòng)失敗了，我們的載荷就只能關(guān)一段時(shí)間、再工作一段時(shí)間。為了避免在“天關(guān)”上出現(xiàn)這個(gè)問題，我們的團(tuán)隊(duì)成員咬牙切齒地把衛(wèi)星上面的熱管全換了，那一段時(shí)間真的是不堪回首。

當(dāng)然，更大的挑戰(zhàn)在2023年年初的時(shí)候到來了，CMOS出現(xiàn)了偶發(fā)性的故障。而那個(gè)時(shí)候所有的正樣都已經(jīng)研制完成了。所有的疑問都到了我們團(tuán)隊(duì)頭上：衛(wèi)星還能不能發(fā)射？

那個(gè)時(shí)候，團(tuán)隊(duì)的成員全國跑，就是為了尋求一個(gè)答案。

▲https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/

2020/03/Polar_and_Sun-synchronous_orbit

最后我們發(fā)現(xiàn)，太陽一旦活動(dòng)，我們的LEIA就有很大可能性發(fā)生故障。LEIA是在太陽同步軌道上面運(yùn)行的，它會(huì)經(jīng)過地球的兩極。而在兩極還富集了大量從太陽來的荷電粒子，這是形成極光的原因，也對LEIA的工作產(chǎn)生了威脅。

▲https://www.swpc.noaa.gov/

content/aurora-tutorial

大家可能知道，這兩年是太陽活動(dòng)的極大年。經(jīng)常聽到有人驚喜地說，北京都能看到極光了。但每當(dāng)聽到這個(gè)消息，我都非常難受。我說：“天哪，又要出現(xiàn)極光了，我要不要關(guān)機(jī)?！?/p>

最終我們認(rèn)定，這個(gè)故障主要是由于太陽的活動(dòng)加上我們當(dāng)時(shí)所用器件的一些偶發(fā)性缺陷導(dǎo)致的。于是，顧逸東院士為首的工程兩總做了抉擇，我們的院機(jī)關(guān)、院領(lǐng)導(dǎo)最后敲定：“行，那我們發(fā)射！”

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一眼千年

于是，我們終于完成了“萬星瞳”的研制工程。

這個(gè)任務(wù)在我們合作者看來是異常瘋狂的，因?yàn)檠兄浦芷谔塘恕?/p>

到2023年年底的時(shí)候，衛(wèi)星終于出廠了。我坐上了中國人自己的運(yùn)20，陪著我們的衛(wèi)星飛到了西昌。在西昌的日子過得很快，也很順利。

這里有一件很有意思的事。在基地里面，基地的工作人員都是嚴(yán)肅統(tǒng)一的著裝。而我們的團(tuán)隊(duì)來自中國科學(xué)院各個(gè)所，我們穿的衣服各種各樣，這種多彩確實(shí)算得上是一道風(fēng)景線。我想，這就是科學(xué)的自由探索跟工程的嚴(yán)肅的一個(gè)很好的融合。

2024年1月9日下午，我們的衛(wèi)星發(fā)射了搭載著長征2號丙火箭發(fā)射了。右圖那張照片是衛(wèi)星和火箭分離后的最后一張照片，從此以后，我們就只能在遙測數(shù)據(jù)里面想象我們衛(wèi)星的樣子了。

我們的衛(wèi)星是基地龍年的第一顆星?；鸺奈槽E在天上形成了一個(gè)舞動(dòng)九天的龍，這讓我們覺得我們應(yīng)該很幸運(yùn)。

2024年大年初二，我在運(yùn)控室里面值班。這時(shí)候我發(fā)現(xiàn)了一個(gè)暫現(xiàn)源，一個(gè)只在我們視場里面出現(xiàn)了100秒的暫現(xiàn)源。非常巧的是，這個(gè)暫現(xiàn)源出現(xiàn)在了蟹狀星云，也就是天關(guān)客星遺跡的旁邊。我們的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過協(xié)商，向世界天文界發(fā)布了第一條警報(bào)信息。

冥冥之中，跨越了千年，我們宋代的記錄跟我們自己的記錄通過“天關(guān)”聯(lián)系在了一起。在那一刻，于我而言，這個(gè)夢算是圓了。

到2024年4月份，我們聯(lián)合歐空局發(fā)布了第一批的觀測成果。這就是我們對銀河系中心觀測的結(jié)果，中間的每一個(gè)十字形大概率都是一些知名的星體，包括黑洞、中子星、白矮星，還有那些像云霧一樣的，就是炙熱的等離子體，甚至中間還有一個(gè)暫現(xiàn)源，如果大家感興趣可以去找一找。