看宇宙的“龙虾眼”：中国空间科学新突破

2023年7月20日，在中国科学院微小卫星创新研究院，科研人员在做爱因斯坦探针卫星的热试验。新华社发（中国科学院微小卫星创新研究院提供）

　　新华社北京1月10日电（记者喻菲、杨春雪、刘艺炜）在太空遨游的“悟空”“慧眼”“夸父一号”等来自中国的天文卫星9日又多了一位观测宇宙的新伙伴——爱因斯坦探针，其独特的探测技术标志着中国在空间科学领域实现了新的突破。

　　将在X射线波段探测宇宙中爆发现象的爱因斯坦探针，像一朵盛开在太空中有着12片花瓣的双蕊荷花，每一片“花瓣”都是一台特殊的X射线望远镜。这种望远镜是科学家从龙虾眼中获得启发而研制出的。

　　爱因斯坦探针首席科学家、中国科学院国家天文台研究员袁为民说，要制造能够聚焦成像的X射线望远镜有个很棘手的问题，那就是X射线光子波长非常短、能量非常高，穿透性极强，且容易与原子发生相互作用，很难像可见光一样通过折射或反射聚焦。

爱因斯坦探针卫星构想图。新华社发（中国科学院微小卫星创新研究院供图）

　　“如果向水里扔一块石头，石头太重会沉入水底，但如果以一个很小的角度把石头贴着水面抛射出去，石头可以在水面弹跳起来。与此类似，如果X光与反射面形成的夹角非常小，那么也可以让X光形成反射，再利用反射聚焦成像。”袁为民说。

　　生物学家很早就发现龙虾眼睛结构特殊，由许多方孔形的微型管道构成，管道壁光滑且指向同一球心，不同方向的光线在小方孔内反射汇聚到龙虾眼的视网膜上。1979年美国科学家从中获得灵感，提出模拟龙虾眼制造望远镜，让X射线通过反射聚焦成像。但因为技术难度非常高，这一设想提出后数十年都未能实现。

　　从小就对星空、宇宙飞船、登月充满兴趣的袁为民从事了30多年空间天文研究。“空间天文结合了天文学和宇航技术，把望远镜和天文台送入太空，这很酷。”

　　他处理分析过大量国外的X射线天文卫星数据。2000年他在一次国际会议上第一次听说龙虾眼探测方法时，就意识到它在时域天文探测中可观的应用前景。国外一些科研机构已开始研发这种技术，但当时中国还没有自己的科学卫星。

　　2010年国家天文台成立X射线成像实验室。实验室创办人、空间天文学家张双南说：“我们的主要目标就是发展新型X射线望远镜聚焦技术，并选择龙虾眼望远镜作为主攻方向，因为这种望远镜有着非常强的科学潜力。”

　　“这是国际前沿研究，我们实际上比国外起步晚了20多年。中国科学院空间科学先导专项为卫星的研发提供了难得的机遇。”卫星首席科学家助理张臣说，但研制过程中遇到了数不清的困难。

　　研制团队最初打算从国外购买龙虾眼望远镜所需的微孔成像器件，但价格高昂，且质量和数量都无法满足要求，后与国内企业合作，经过多年艰难攻关，终于取得技术突破，拥有完全自主知识产权，部分指标达国际领先水平。在爱因斯坦探针的每一片“花瓣”上都有36个微孔成像器，每个微孔成像器包含着近100万个比发丝还细的方孔。

　　张臣介绍，常规的X射线聚焦望远镜的视场（即视野范围）大概是地球上看月亮那么大的天区，而爱因斯坦探针的视场可达到约1万个月亮那么大，相当于全天的1/12，在国际上首次同时实现大视场全天监测和X射线聚焦成像，可高效监测天体的X射线变化。

　　卫星载荷科学家凌志兴说，团队遇到的另一个挑战是研制类似于视网膜的记录光子的探测器。最初计划采用的气体探测器存在重大隐患，太空中的微流星和宇宙尘埃可能撞击并引起气体泄漏，从而使探测器失效。

　　经过大量实验验证后，研制团队决定采用CMOS（一种图像感光元件）作为空间X射线探测器。“这个决定非常超前，国际上从未有过先例。我们花了数年时间做了大量实验，终于获得成功，这也是X射线天文探测技术上的一项创新。”凌志兴说。

　　30年前，在日本从事研究的袁为民第一次从来访的中国科学院院士李惕碚的学术报告中得知中国要研发自己的天文卫星时，非常兴奋。“我那时没有想到我们这一代中国人有能力研发自己的空间科学卫星。从那时起，我就盼望着这一天的到来。”

　　如今，中国已经有了悟空、墨子、慧眼、太极一号、羲和、夸父一号、爱因斯坦探针等一系列空间科学卫星。

　　袁为民说：“欧美已有半个多世纪空间科学发展历史，中国的空间科学仍处于起步阶段，整体水平与欧美还有很大差距，但我们在过去20年取得了飞速发展，在某些领域已经进入国际前列。”

　　空间天文专家、英国莱斯特大学教授保罗·布赖恩表示，中国研发出的龙虾眼望远镜技术将对宇宙X射线监测带来变革性推动，也显示了爱因斯坦探针巨大的科学潜力。