爱因斯坦探针（EP）卫星首批观测成果发布龙虾眼相机研制团队打造“宇宙焰火捕手”将推动时域天文学跨越发展

来源：时间：2024-04-27

2024年4月27日，2024中关村论坛年会平行论坛空间科学论坛在京召开。由中国科学院牵头实施的爱因斯坦探针（EP）卫星任务发布了第一批在轨探测图像。EP卫星是中国科学院空间科学二期先导专项立项并实施的空间科学卫星系列任务之一，由中方主导，欧洲航天局(ESA)、德国马普地外物理研究所(MPE)和法国航天局(CNES)以国际合作形式参与卫星研制。

EP卫星自2024年卫星1月9日发射以来，在轨已经109天，星上搭载了国际首台宽视场X射线望远镜（WXT）和1台后随X射线望远镜（FXT）。其中，WXT是目前国际上探测灵敏度和空间分辨率最高的大视场X射线望远镜，对发现宇宙中的新天体、新现象和新规律具有里程碑式的意义。WXT由中国科学院上海技术物理研究所与中国科学院国家天文台联合研制，其微孔光学（MPO）关键元件由北方夜视提供。

WXT载荷负责人、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员孙胜利表示，“仅载荷研制工程阶段，就历时7年，团队从概念验证开始，将一个个设想逐步变为现实，将不可能变为可能，现在这台望远镜终于‘张开了眼睛’，整个过程让人非常激动和振奋。”

宽视场X射线望远镜是时域天文学界“团宠”

“在黑洞潮汐瓦解、恒星爆炸、伽马暴等一系列天文事件中，海量的能量瞬间释放，产生了大量X射线光子横扫宇宙，这使得X射线成为观测这些天文事件最好的窗口。”EP卫星首席科学家助理、国家天文台张臣研究员介绍到，“由于地球大气对X射线的吸收，直到许多X射线天文卫星被发射进入太空，天文学家才得到重要的观测成果。”既然太空中已经有为数不少的X射线望远镜，为什么我们还需要研制WXT？它又有什么与众不同呢？孙胜利拿显微镜成像进行了类比，“一般的电子显微镜能够看到分子的结构，但它看不清分子的结构是如何变化的。以往的空间望远镜，可以研究天体的状态，却同样无法看清其动态过程。要了解宇宙的演化过程，就需要更深入的观测能力、更广的观测范围，这正是高能时域天文学关注的主要内容。”

天文观测中，全天球约为40000平方度，在如此巨大的视场下，想要捕捉并观察随机出现、转瞬即逝的“暂现源”，难度可见一斑。因此，只有设计出针对随机性事件观察的设备，才有可能大规模发现和研究这些突发的天文事件。EP卫星WXT首次大规模采用微孔龙虾眼X射线成像技术，由12个宽视场X射线光学镜头模块构成，视场约3850平方度，相当于1/11个天区，填补了国际上在软X射线波段大视场全天监测设备的空白。

大视场X射线聚焦成像“黑科技”久攻不破

一般光学望远镜是通过光学器件对入射的光线进行折射或反射，将光线汇聚后在焦面上形成清晰的像。但是对于X射线望远镜来说，聚焦成像一直都是“黑科技”。其主要原因是X射线光子能量非常高，很难被改变方向聚集起来成像，这些光子要么被普通的可见光望远镜直接吸收，要么直接透射穿过。张臣介绍，目前运行的空间X射线望远镜大都基于直线光学原理，这类望远镜灵敏度差，不能发现绝大部分银河系外暂现源（伽马暴除外）。如果采用聚焦型设备，在观察弱源的灵敏度上会高出同等规模的直线光学型设备一个数量级，然而常用的Wolter-I聚焦型X射线望远镜视场都小于1个平方度量级，要使用这类设备在浩瀚宇宙中捕捉暂现源，堪比大海捞针。

早在1979年，美国科学家Roger Angel就受龙虾眼全发射成像原理的启发，首次提出了一种仿生的X射线成像光学构型。这个光学系统可以满足大视场、高精度观测的需求，让天文学家们大为振奋，但因为研制难度太大，几十年来大视场“龙虾眼”相机的空间应用始终未能实现。2010年，国家天文台开始探索微孔龙虾眼X射线成像技术研究，最初打算购买国外的类似设备，但价格极其昂贵，且对我国存在技术和经济方面的封锁，举步维艰。

十几年磨一剑打造国际首台高精度X射线“广角摄像机”

自主研制“龙虾眼”相机究竟难在哪儿？WXT 载荷主任设计师、上海技物所副研究员孙小进介绍，“典型的一片龙虾眼型微孔光学元件（MPO）是由玻璃材质制作而成的球面薄片，上面整齐排列着100多万个比头发丝还细的正方形通道，边长约40微米，壁厚只有8 微米，内壁光洁度要达到1纳米以下。除了关键元部件的挑战，没有X射线光学系统装调测试平台是个让人‘头疼’的问题。”通常光学系统在集成过程中，需要模拟载荷的实际工作状态，边装配边调试以保证每个光学部件达到理想精度，才能实现最佳的成像效果。但由于X射线“看不见，摸不着”，且难以进行折射与反射，科研人员在进行WXT集成装调的过程中，无法使用真实的X射线平行光进行调试，这就好比被“蒙上了双眼”。这样苛刻的条件下，比如要实现48个探测器组件（4个一组）在空间三维尺度上达到0.05毫米的拼接精度，几乎是不可能完成的任务。

经过多年技术攻关，WXT研制团队终于实现了“从无到有，从落后到赶超”：成功研制出了MPO龙虾眼X射线光学组件；国际上大规模首次采用大面阵硅基CMOS探测器用于X射线天文探测；创新性地采用望远镜热量回收管理技术和在轨触发式处理技术；自主探索出基于可见光的“离线装调”技术，精确反演出载荷在轨性能；EP探路者试验模块（LEIA）在轨成功获取国际上首幅宇宙大视场X射线聚焦成像天图……终于，团队成功研制出了完整的WXT，该设备所有关键器件均为我国自主研发。

同步实现高性能、低资源、低功耗细节之处见真章

这样一个超高精度的“广角相机”，数据量惊人。如何在有限的处理芯片资源和低功耗环境下，实现望远镜对速率和性能的要求？WXT的峰值数据率为25.3 G，相当于每秒生成25部1 G的电影。由于原始数据量过大，无法通过星地之间的链路进行传输，因此，必须先在卫星上进行在轨数据处理，再将有效的信息下传到地面科学运行中心。WXT载荷软件主管设计师、上海技物所高级工程师薛玉龙介绍，“EP卫星是在茫茫宇宙中寻找天文事件，在海量的数据中找到最有效的信息是关键”。团队连续三个月，每天工作到凌晨三点，最终将处理后的速率最终降低为5.127 Mb，在轨每秒可在150亿个像素中提取约1000个有效像素信息！

此外，为了更好实现高性能、低资源和低功耗之间的平衡，团队还创新性的采用了望远镜热量回收管理技术以降低能耗。WXT载荷热控主管设计师、上海技物所工程师李军飞介绍，“载荷电子学部件工作时会产生热量，我们回收并利用这部分热量为光学系统提供保温，以防止MPO镜片发生热变形。最初整星需要为WXT提供270W的热控功耗，并且需要1.8平米辐射板供电子学散热，通过热量回收设计，WXT控温功耗降为115W，并减少了散热板面积，为整星减轻了重量并保障了大视场观测需求。同时，在轨烘烤阶段，WXT采用分组烘烤及错峰措施，将烘烤阶段峰值功耗由984W减小到424W以下。”

精诚合作的产物开放共享的典范

EP卫星项目从理论走向现实，是精诚合作的产物。WXT载荷科学家、国家天文台研究员凌志兴强调，“这是多维度的合作，包括了国内外机构的长期合作、中国科学院内部多个单位集中各家优势、研究院和企业共同攻关、科学家和工程师间深度交流、老中青三代成员携手与共。”

WXT是龙虾眼光学第一次在空间项目中的大规模应用，也是龙虾眼光学第一次投入真正意义上的天文观测研究。在轨测试期间，EP两台有效载荷就获取了多组宇宙天体的X射线科学观测数据，已探测到新的暂现源17例、恒星耀发168例，并发布全球电报10余条，引导国际上包括最大的Keck等多个光学和射电望远镜、空间 X 射线天文台开展了后随观测。探测到的新暂现源具有不同的起源类型，有潮汐瓦解恒星事件（TDE）、伽马射线暴、新的磁激变变星、新的X射线双星等，观测结果得到了国际同行的高度认可和关注，为国内外地面和空间望远镜协同观测提供了重要的指引。X射线观测领域专家、英国莱斯特大学教授Paul O'Brien和Richard Willingale表示：“几十年来，我们一直在期待一个真正的宽视场软X射线望远镜。这项技术将对X射线天空的监测带来变革性的推动。”

随着EP卫星首批在轨观测图像发布，时域天文学将迎来跨越式新发展。下一阶段，EP将继续按照既定计划开展并完成在轨测试，加强国内外合作和数据开放共享工作，探测宇宙中转瞬即逝的“焰火”，为高能时域天文观测和研究做出有显示度的贡献。