1975年，人類歷史上第一顆帶著X射線偏振探測(cè)任務(wù)的衛(wèi)星由NASA發(fā)射升空，對(duì)蟹狀星云的探測(cè)結(jié)果令人振奮。沒想到，“出道即顛峰”，該領(lǐng)域陷入長(zhǎng)期的停滯和等待。“那是第一次，也是最后一次。” 清華大學(xué)天文系教授馮驊曾在接受澎湃新聞專訪時(shí)惋惜地說道。

成像、能量、時(shí)變，宇宙源X射線的各類研究欣欣向榮，唯獨(dú)偏振，作為光子基本屬性之一，卻似被遺忘了。

5月11日，馮驊課題組與合作者報(bào)告了“極光計(jì)劃”配備的X射線偏振探測(cè)器在衛(wèi)星上經(jīng)過1年的觀測(cè)，探測(cè)到來自蟹狀星云及脈沖星（中子星的一種）的軟X射線偏振信號(hào)，并首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星自轉(zhuǎn)突變和恢復(fù)過程中X射線偏振信號(hào)的變化，說明在此過程中脈沖星磁場(chǎng)發(fā)生了變化。

該成果在《自然·天文》（Nature Astronomy）上以封面論文的形式發(fā)表，標(biāo)志著因技術(shù)困難停滯了40多年的天文軟X射線偏振探測(cè)窗口重新開啟。

《自然·天文》當(dāng)期封面圖片

這篇封面論文注定不會(huì)重演“出道即顛峰”的命運(yùn)，而是大樂章的序曲。“極光計(jì)劃”所采取的技術(shù)將被應(yīng)用到中國(guó)下一代大科學(xué)工程“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振天文臺(tái)”(eXTP)上。

另一方面，中國(guó)天文前沿研究與低成本商業(yè)立方星的相遇也值得關(guān)注。“極光計(jì)劃”由清華大學(xué)擔(dān)任科學(xué)總體，商業(yè)衛(wèi)星公司天儀研究院作為衛(wèi)星工程總體。

被“遺忘”的偏振

偏振是光子的基本屬性之一，偏振濾片像一塊特定方向的柵欄，只允許相應(yīng)偏振方向的光子通過。觀看3D電影時(shí)的眼鏡就運(yùn)用了這樣的原理，選擇一部分光進(jìn)入左眼，另一部分光進(jìn)入右眼，形成3D圖像。

相比起我們熟悉的可見光，X射線的波長(zhǎng)非常短。雖然人類肉眼看不到，但它在天文學(xué)上很有用。宇宙中有一些天體（如黑洞、中子星等）幾乎不發(fā)出可見光，卻能發(fā)出“明亮”的X射線，并透露有關(guān)天體磁場(chǎng)、天體幾何形狀的重要信息。

馮驊介紹道，從上世紀(jì)60年代起，人類可以通過X射線望遠(yuǎn)鏡探測(cè)X射線的能量、時(shí)變等信息，卻遲遲無法解決X射線偏振探測(cè)的技術(shù)問題。很有趣，但很困難，這是該領(lǐng)域的基調(diào)。

美國(guó)曾發(fā)射的那顆衛(wèi)星基于湯姆遜/康普頓散射或布拉格衍射進(jìn)行探測(cè)，效率很低，相當(dāng)于光子的“入選條件”非常嚴(yán)苛，極少一部分能被捕獲研究，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)量和靈敏度都很差。因此，當(dāng)時(shí)的探測(cè)目標(biāo)是X射線非常明亮、偏振又很強(qiáng)的蟹狀星云。

“蟹狀星云正好是這么特別，換了別的天體就測(cè)不到了，就像你在人群里能一眼看到兩米多高的姚明。” 馮驊形象地說道。

因此，在完成對(duì)蟹狀星云的探測(cè)后，該領(lǐng)域陷入長(zhǎng)達(dá)40多年的空白階段。

“新窗口”誰來啟動(dòng)？

馮驊與合作者采用的是新一代基于光電效應(yīng)的探測(cè)方法/對(duì)于能量是幾千電子伏特的X射線，它們與物質(zhì)的主要作用機(jī)制是光電效應(yīng)，光子被吸收，能量把原子核外一個(gè)束縛電子激發(fā)出來成為自由電子。電子被加速的方向和入射光子的電場(chǎng)振動(dòng)方向，即偏振方向有關(guān)。

“就像你踢一腳皮球，皮球最可能沿著你腳踢的方向飛出去，電子有最大的概率沿著入射光子偏振方向出射，有最小的概率垂直于偏振方向出射，方位角呈cos2分布。如果我們能測(cè)量電子在探測(cè)器中的徑跡并計(jì)算出電子出射方向，就可以有效地測(cè)量X射線偏振。” 馮驊曾在科普性文章中寫道。

用光電效應(yīng)探測(cè)X射線偏振的方法雖然在2001年就被意大利團(tuán)隊(duì)提出，并吸引了歐美多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，但衛(wèi)星項(xiàng)目皆因種種原因錯(cuò)失良機(jī)。

這個(gè)“新窗口”，最終輪到中國(guó)去開啟。

馮驊從2009年起著手研究偏振測(cè)量，花了兩三年進(jìn)行原理驗(yàn)證，又花了兩三年進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，隨后才開始考慮真正讓衛(wèi)星上天。

與商業(yè)化立方星的相遇

2017年，當(dāng)馮驊與合作者已經(jīng)獲得成熟版本的探測(cè)器，正是商業(yè)化立方星在中國(guó)興起的時(shí)候。

所謂立方星，是一種采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的低成本微小衛(wèi)星，以“U”進(jìn)行劃分，1U（Unit）立方星體積是10厘米*10厘米*10厘米，也可以形成2U、3U、6U甚至更大的立方星。“極光計(jì)劃”核心探測(cè)器只有火柴盒大小，非常適合成為上面的一員乘客。

“極光計(jì)劃”立方星和探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

在這種想法的驅(qū)動(dòng)下，馮驊團(tuán)隊(duì)做出了第一版本的空間載荷研制，并在一年內(nèi)完成了緊張的調(diào)試和標(biāo)定，最終搭載在天儀研究院自主研發(fā)的10公斤級(jí)微小衛(wèi)星平臺(tái)上。

2018年10月29日，“極光計(jì)劃”搭乘“銅川一號(hào)”立方星從酒泉發(fā)射升空。

2019年7月23日，它捕捉到了蟹狀星云脈沖星在一次自轉(zhuǎn)突變的偏振信號(hào)變化。

載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師顧逸東院士表示：“‘極光計(jì)劃’采用商業(yè)化立方星成功測(cè)量了蟹狀星云及脈沖星的偏振信號(hào)，獲得脈沖星的X射線偏振隨時(shí)間變化的重要成果，同時(shí)闖出了一條低成本開展空間天文研究的創(chuàng)新途徑，對(duì)推動(dòng)高校空間科學(xué)發(fā)展有重要意義。”

作為一門觀測(cè)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)，天文學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴新的飛行觀測(cè)方法和手段。

就X射線偏振探測(cè)而言，在NASA發(fā)射探測(cè)衛(wèi)星之前，美國(guó)曾經(jīng)使用探空火箭觀測(cè)，試圖在短短幾分鐘的曝光時(shí)間內(nèi)收獲科學(xué)結(jié)果。從1968年7月到1971年2月，31個(gè)月內(nèi)嘗試三次，最終在第三次才測(cè)到了蟹狀星云的偏振。

1975年，NASA的OSO-8衛(wèi)星發(fā)射，曝光時(shí)長(zhǎng)與探空火箭相比不可同日而語，結(jié)果自然漂亮得多。

不過，那個(gè)年代的天文衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)要求很高，一般都是上噸級(jí)的大衛(wèi)星，成本動(dòng)輒達(dá)到數(shù)億美元，研發(fā)周期又長(zhǎng)。很多科學(xué)家望而卻步，只能停留在理論驗(yàn)證階段。

雖然受到載荷重量的限制，微小衛(wèi)星并不能完全取代大衛(wèi)星，但它們無疑可對(duì)大衛(wèi)星形成良好的補(bǔ)充，完成登錄大平臺(tái)前的驗(yàn)證，正如“極光計(jì)劃”之于國(guó)際X射線天文領(lǐng)域未來的旗艦項(xiàng)目eXTP。

“這是國(guó)內(nèi)研發(fā)的微小衛(wèi)星第一次登上國(guó)際頂級(jí)科研期刊”，天儀研究院創(chuàng)始人兼CEO楊峰表示，“ ‘極光計(jì)劃’的意義一方面在于空間科學(xué)的巨大發(fā)現(xiàn)，另一方面來自于航天工程的巨大進(jìn)步。近年來微小衛(wèi)星在中國(guó)興起，為新探測(cè)技術(shù)和方法的飛行驗(yàn)證提供了更多低成本的可能性。”

總結(jié)

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