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清华空间项目有新发现,重启天文软X射线偏振探测窗口

2020-05-23

澎湃新闻记者从清华大学获悉,5月11日,清华大学天文系教授冯骅课题组与合作者在《自然·天文》杂志发表文章,介绍了清华大学主导的空间天文项目“极光计划”的最新成果:“极光计划”配备的X射线偏振探测器在卫星上经过1年的观测,探测到来自蟹状星云及脉冲星(中子星的一种)的软X射线偏振信号,并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化,说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。


这一探测结果也标志着,由于技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。


“极光计划”最新发现为什么重要?


作为一门观测驱动的科学,天文学的发展在很大程度上依赖新的观测方法和手段。新的观测方法和手段被称为天文观测的新窗口。
X射线是电磁波的一种,是研究黑洞、中子星等天体的最主要媒介。偏振是电磁波的基本属性之一,其在生活中的应用包括3D电影和液晶显示。而X射线偏振是具有重要科学价值的独特的天体物理探针,是研究黑洞、中子星等高能天体的强有力工具。


1968年,美国科学家率先开展了天文X射线偏振探测,于1971年在一次探空火箭实验中见到了成功的希望,并在1975年发射的OSO-8卫星上完成了第一次精确测量,这次测量发现了蟹状星云的X射线辐射具有高度线偏振,起源于同步辐射。


然而,由于上一代技术的局限性,其探测效率和灵敏度低下,天文软X射线偏振探测在这次实验之后便陷入了停滞。


2001年,随着核探测技术的发展,意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度X射线偏振测量。


2009年,清华冯骅教授带领团队开始对X射线偏振探测技术进行探索和改进,在国际合作的基础上历经多年技术积累,在实验室里研制出了高灵敏度低系统误差的X射线偏振仪。这个火柴盒大小的探测器瓶颈之一就在于探测器封装,其气体纯度要求为99.999%以上。但是探测器腔体材料会吸附杂质气体,当纯净的气体充入后,杂质会慢慢扩散,使得纯度下降,导致探测器最初的工作寿命只有约30分钟。


冯骅团队成功解决了这个问题,使得探测器封好之后5-10年性能都不会改变。


“空间天文是一个系统工程,哪一个环节出问题,整个项目都会失败,这也是空间天文项目的难度所在。”冯骅介绍。


天文探测窗口的重新开启


新的探测技术和方法需要进行飞行验证,为此,冯骅提出了“极光计划”,希望利用微纳卫星平台在卫星轨道上直接验证X射线偏振探测技术,从而提高技术成熟度,为未来的空间天文探测所用。


2018年10月29日,“极光计划”探测器发射升空,经过1年的观测,探测到来自蟹状星云的X射线偏振信号,并发现了有关脉冲星的新天体物理现象,也就是当蟹状星云脉冲星自转周期突然变化之后,其X射线偏振也发生了显著的变化。


脉冲星是一种极其精确的“时钟”,但是经常会在某一个时间点发生一次突变,然后慢慢恢复,这种自转突变是一种有待研究的天文现象。2019年7月23日,蟹状星云脉冲星发生了一次自转突变,其偏振信号的变化被“极光计划”探测器捕捉,经过几十天它的偏振信号又慢慢恢复,这一新的发现有助于理解脉冲星也就是中子星的内部结构。


载人航天工程应用系统总设计师顾逸东院士表示:“极光计划采用商业化立方星成功测量了蟹状星云及脉冲星的偏振信号,获得脉冲星的X射线偏振随时间变化的重要成果,同时闯出了一条低成本开展空间天文研究的创新途径,对推动高校空间科学发展有重要意义。”


“极光计划”探测器是40多年来国际上第一个专门的空间天文软X射线偏振探测器,宣告了这个天文探测窗口的重新开启,而关于蟹状星云脉冲星自转变化物理过程的意外发现,也说明了这个新窗口的重要性。


新成果将用于我国下一代大科学工程上


澎湃新闻记者从清华了解到,“极光计划”所采取的技术将被应用到我国下一代大科学工程“增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP)”上。


eXTP是中国领导的大型中欧合作项目,预计2027年发射。


作为eXTP首席科学家,中科院高能所粒子天体物理中心主任张双南研究员表示:“极光计划发展了最先进的X射线偏振测量技术,实现了历史上仅有的第二次天体X射线偏振测量。这不但验证了40多年前的第一次测量结果的正确性,而且还很有可能发现了一个极具科学价值的新现象,这有助于理解中子星的内部结构以及自转变化如何影响其外部磁场。极光计划的成功表明,目前正在研制和计划中的X射线偏振测量空间项目的科学潜力巨大,其结果也对未来新项目的科学目标确定和技术方案选择提供了新的思路。”
清华大学天文学科创始人李惕碚院士表示,“清华天文从起步之日起,空间天文就是一个重要的、极具特色的发展方向。‘极光计划’是清华大学主导的第一个空间天文项目,是理工结合的成效。”


“极光计划”负责人冯骅是清华大学天文系教授、工物系兼职教授,该项目的成功实施得益于核技术在天文探测中的应用,体现了理工结合、学科交叉的特色。


冯骅是论文的第一作者和通讯作者。“极光计划”的合作单位还包括意大利国家核物理研究院(INFN-Pisa)、意大利国家天体物理研究院(INAF/IAPS-Rome)、中科院高能物理研究所、北京大学、宁波工程学院、北方夜视和天仪研究院。同时,“极光计划”探测器和卫星的日常运行均由学生负责,是学生培养的重要平台。“极光计划”搭载在天仪研究院的“铜川一号”立方星上,此星还装载了一个学生项目——“天格计划”。