宇宙中不僅有長(zhǎng)期存在的星辰，還有各類突如其來的爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆發(fā)被稱為暫現(xiàn)源，也被形象地稱作“宇宙焰火”。它們發(fā)生于天體演化的關(guān)鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關(guān)鍵信息。中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)研制的“天關(guān)”衛(wèi)星，即能夠捕捉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的“宇宙焰火”。
2月19日，一項(xiàng)新成果作為歐洲航天局首篇基于“天關(guān)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)主導(dǎo)的論文，在《天體物理雜志快報(bào)》上正式發(fā)布。自2024年1月9日發(fā)射以來，“天關(guān)”衛(wèi)星已捕捉到多例可能的新類型暫現(xiàn)源。“天關(guān)”衛(wèi)星卓越的“宇宙焰火”捕捉能力，得益于其核心載荷——寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡。它也被稱為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡。
“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家助理、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張臣是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。他自豪地表示，迄今為止，國(guó)際上還沒有能與我國(guó)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡相媲美的同類型載荷甚至樣機(jī)。
“半路出家”開始研究
生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)龍蝦眼睛結(jié)構(gòu)特殊，其由許多方孔形的微型管道構(gòu)成。這些管道壁光滑且指向同一球心，使得來自不同方向的光線在小方孔內(nèi)反射并匯聚到龍蝦的視網(wǎng)膜上。1979年，美國(guó)科學(xué)家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠(yuǎn)鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。然而，由于技術(shù)難度極高，這一設(shè)想在提出后很長(zhǎng)時(shí)間都未能實(shí)現(xiàn)。
2000年以來，時(shí)域天文學(xué)逐漸成為國(guó)際天文學(xué)界的前沿領(lǐng)域，而采用“龍蝦眼”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的X射線望遠(yuǎn)鏡被視為推動(dòng)這一領(lǐng)域的先進(jìn)工具。
談到如何步入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研究，張臣笑稱自己是“半路出家”。
“上本科時(shí)，我學(xué)習(xí)的是核技術(shù)，而到了研究生階段，我開始從事探測(cè)器的研究，有幸跟隨張雙南老師進(jìn)行高能天文設(shè)備研制的相關(guān)工作。當(dāng)時(shí)張雙南老師認(rèn)為，我國(guó)需要一個(gè)兼具超大視野和高靈敏度的‘龍蝦眼’望遠(yuǎn)鏡，這將極大促進(jìn)我國(guó)在時(shí)域天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。”張臣說，“在老師的建議下，2009年，我抱著試一試的心態(tài)去做這個(gè)課題，‘半路出家’開始研究。”
張臣有在校期間在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作的經(jīng)驗(yàn)，擁有數(shù)據(jù)分析等方面的基礎(chǔ)，這使他能夠快速投入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。
然而，要研制“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡并非易事。在研究之初，國(guó)內(nèi)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供參考。“閱讀論文是一回事，實(shí)際操作起來完全是另一回事。特別是技術(shù)類文獻(xiàn)，它們往往不會(huì)詳細(xì)描述具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，操作過程中充滿了‘坑’，需要自己親自去跳，然后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再去嘗試。”張臣說。
2010年，張臣進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，之后前往英國(guó)進(jìn)行了為期兩個(gè)月的望遠(yuǎn)鏡制造系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)?；貒?guó)后，他逐步展開了“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。但很快，張臣便發(fā)現(xiàn)國(guó)外已有的技術(shù)路線存在缺陷。于是，他和研發(fā)團(tuán)隊(duì)踏上了探索自主研發(fā)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡技術(shù)之路。
一年完成從生產(chǎn)到測(cè)試
望遠(yuǎn)鏡研發(fā)的起點(diǎn)是頂層設(shè)計(jì)。張臣介紹，在頂層設(shè)計(jì)階段，他和團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格把控，為后續(xù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基石。
然而，頂層設(shè)計(jì)僅僅是破解難題的第一步，落實(shí)才是關(guān)鍵。在張臣看來，整個(gè)研究項(xiàng)目最為艱巨的任務(wù)，是要在短短一年內(nèi)完成“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡12個(gè)鏡頭從生產(chǎn)、組裝到測(cè)試的全部工作，時(shí)間緊迫、任務(wù)艱巨。
鏡片是望遠(yuǎn)鏡的核心組件，其制造至關(guān)重要。在鏡片制造方面，張臣團(tuán)隊(duì)與北方夜視技術(shù)股份有限公司展開了深入合作。雙方攜手攻克了成像光斑不圓等一系列技術(shù)難題。
組裝鏡頭又是一大挑戰(zhàn)。“‘龍蝦眼’望遠(yuǎn)鏡的鏡片極為柔軟，輕輕一拿就會(huì)變形。然而，鏡頭裝配的精度要求極高，在垂直方向上，鏡片間的誤差必須控制在一微米以內(nèi)。此外，還需充分考慮火箭發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)鏡片穩(wěn)固性的影響。”張臣說。
當(dāng)時(shí)，“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家袁為民對(duì)“龍蝦眼”的研發(fā)深表?yè)?dān)憂。他認(rèn)為，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，要確保儀器性能達(dá)到國(guó)際頂尖水平，并精準(zhǔn)滿足科學(xué)需求，并不容易。對(duì)于張臣而言，研發(fā)“龍蝦眼”也無疑是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
研制任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重，張臣沒有太多試錯(cuò)機(jī)會(huì)。“為了加速研發(fā)進(jìn)程，我會(huì)盡量在初期就構(gòu)思出各種可能的路徑和方法，然后在實(shí)踐中嘗試不同組合，以期盡快找到最優(yōu)方案。”張臣說。
以鏡頭組裝為例，鏡片變形是一個(gè)關(guān)鍵問題，而變形往往源于膠接過程中膠水的收縮。由于鏡頭被設(shè)計(jì)成4個(gè)部分，在摸索鏡片安裝工藝過程中，張臣巧妙地對(duì)每個(gè)部分采用不同的膠接策略以提高工藝驗(yàn)證效率。
張臣和團(tuán)隊(duì)還搭建了一整套“龍蝦眼”光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)化裝調(diào)設(shè)備。該設(shè)備采用特殊設(shè)計(jì)的夾具和精密的機(jī)械手進(jìn)行裝配，并使用應(yīng)力較小的膠水對(duì)鏡片進(jìn)行固定。在膠水凝固過程中，團(tuán)隊(duì)采取了保護(hù)措施，確保鏡片穩(wěn)固且不變形。同時(shí)，每個(gè)鏡片的位置和指向都可進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以保證整個(gè)光學(xué)組件的一致性。
張臣介紹，無論是鏡片生產(chǎn)工藝、鏡頭設(shè)計(jì)加工還是裝配流程，團(tuán)隊(duì)都采用了與國(guó)外不同的創(chuàng)新路徑，并取得了顯著成果。
追求精度效益無止境
“天關(guān)”衛(wèi)星外形猶如一朵綻放的“花朵”，其搭載的12個(gè)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡仿佛12片“花瓣”。在宇宙中，這朵“花朵”靜靜地等候著于沉寂黑暗中偶爾綻放的“宇宙焰火”。
張臣介紹，常規(guī)的X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)大概是地球上看到的月亮那么大，而“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)可達(dá)到約1.5萬個(gè)月亮那么大，相當(dāng)于全天面積的1/12。這意味著“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際上首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)全天監(jiān)測(cè)和X射線聚焦成像，可高效監(jiān)測(cè)天體的X射線變化。
“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)是世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡之一。然而，在回顧設(shè)計(jì)、研發(fā)、發(fā)射等全過程后，張臣認(rèn)為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在諸多方面可以做得更好，包括鏡片光學(xué)質(zhì)量、鏡頭的裝配水平，以及整體設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)等。
例如，在光學(xué)方面，張臣認(rèn)為縮小光斑尺寸，可進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。同時(shí)，定位精度也存在優(yōu)化空間。“若能將定位精度提升至幾十個(gè)角秒，甚至20個(gè)角秒以內(nèi)，將極大提升天文觀測(cè)效率。”張臣說，在天體密集區(qū)域，高精度定位能讓科學(xué)家在繁星中迅速鎖定觀測(cè)目標(biāo)。
張臣表示，“天關(guān)”項(xiàng)目已經(jīng)獲得國(guó)際天文界高度評(píng)價(jià)。他希望“天關(guān)”項(xiàng)目在未來兩年內(nèi)能夠取得更多重大科學(xué)成果。
“科學(xué)界有這么一句話，‘多說無益，給我數(shù)據(jù)’。對(duì)于科學(xué)裝備和儀器研發(fā)人員而言，不能光說不練，要拿出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說話，好的觀測(cè)結(jié)果才是裝備儀器研發(fā)人員的獎(jiǎng)牌。”他說。
宇宙中不僅有長(zhǎng)期存在的星辰，還有各類突如其來的爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆發(fā)被稱為暫現(xiàn)源，也被形象地稱作“宇宙焰火”。它們發(fā)生于天體演化的關(guān)鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關(guān)鍵信息。中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)研制的“天關(guān)”衛(wèi)星，即能夠捕捉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的“宇宙焰火”。
2月19日，一項(xiàng)新成果作為歐洲航天局首篇基于“天關(guān)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)主導(dǎo)的論文，在《天體物理雜志快報(bào)》上正式發(fā)布。自2024年1月9日發(fā)射以來，“天關(guān)”衛(wèi)星已捕捉到多例可能的新類型暫現(xiàn)源。“天關(guān)”衛(wèi)星卓越的“宇宙焰火”捕捉能力，得益于其核心載荷——寬視場(chǎng)X射線望遠(yuǎn)鏡。它也被稱為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡。
“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家助理、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張臣是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。他自豪地表示，迄今為止，國(guó)際上還沒有能與我國(guó)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡相媲美的同類型載荷甚至樣機(jī)。
“半路出家”開始研究
生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)龍蝦眼睛結(jié)構(gòu)特殊，其由許多方孔形的微型管道構(gòu)成。這些管道壁光滑且指向同一球心，使得來自不同方向的光線在小方孔內(nèi)反射并匯聚到龍蝦的視網(wǎng)膜上。1979年，美國(guó)科學(xué)家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠(yuǎn)鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。然而，由于技術(shù)難度極高，這一設(shè)想在提出后很長(zhǎng)時(shí)間都未能實(shí)現(xiàn)。
2000年以來，時(shí)域天文學(xué)逐漸成為國(guó)際天文學(xué)界的前沿領(lǐng)域，而采用“龍蝦眼”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的X射線望遠(yuǎn)鏡被視為推動(dòng)這一領(lǐng)域的先進(jìn)工具。
談到如何步入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研究，張臣笑稱自己是“半路出家”。
“上本科時(shí)，我學(xué)習(xí)的是核技術(shù)，而到了研究生階段，我開始從事探測(cè)器的研究，有幸跟隨張雙南老師進(jìn)行高能天文設(shè)備研制的相關(guān)工作。當(dāng)時(shí)張雙南老師認(rèn)為，我國(guó)需要一個(gè)兼具超大視野和高靈敏度的‘龍蝦眼’望遠(yuǎn)鏡，這將極大促進(jìn)我國(guó)在時(shí)域天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。”張臣說，“在老師的建議下，2009年，我抱著試一試的心態(tài)去做這個(gè)課題，‘半路出家’開始研究。”
張臣有在校期間在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作的經(jīng)驗(yàn)，擁有數(shù)據(jù)分析等方面的基礎(chǔ)，這使他能夠快速投入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。
然而，要研制“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡并非易事。在研究之初，國(guó)內(nèi)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供參考。“閱讀論文是一回事，實(shí)際操作起來完全是另一回事。特別是技術(shù)類文獻(xiàn)，它們往往不會(huì)詳細(xì)描述具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，操作過程中充滿了‘坑’，需要自己親自去跳，然后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再去嘗試。”張臣說。
2010年，張臣進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，之后前往英國(guó)進(jìn)行了為期兩個(gè)月的望遠(yuǎn)鏡制造系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)?；貒?guó)后，他逐步展開了“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。但很快，張臣便發(fā)現(xiàn)國(guó)外已有的技術(shù)路線存在缺陷。于是，他和研發(fā)團(tuán)隊(duì)踏上了探索自主研發(fā)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡技術(shù)之路。
一年完成從生產(chǎn)到測(cè)試
望遠(yuǎn)鏡研發(fā)的起點(diǎn)是頂層設(shè)計(jì)。張臣介紹，在頂層設(shè)計(jì)階段，他和團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格把控，為后續(xù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基石。
然而，頂層設(shè)計(jì)僅僅是破解難題的第一步，落實(shí)才是關(guān)鍵。在張臣看來，整個(gè)研究項(xiàng)目最為艱巨的任務(wù)，是要在短短一年內(nèi)完成“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡12個(gè)鏡頭從生產(chǎn)、組裝到測(cè)試的全部工作，時(shí)間緊迫、任務(wù)艱巨。
鏡片是望遠(yuǎn)鏡的核心組件，其制造至關(guān)重要。在鏡片制造方面，張臣團(tuán)隊(duì)與北方夜視技術(shù)股份有限公司展開了深入合作。雙方攜手攻克了成像光斑不圓等一系列技術(shù)難題。
組裝鏡頭又是一大挑戰(zhàn)。“‘龍蝦眼’望遠(yuǎn)鏡的鏡片極為柔軟，輕輕一拿就會(huì)變形。然而，鏡頭裝配的精度要求極高，在垂直方向上，鏡片間的誤差必須控制在一微米以內(nèi)。此外，還需充分考慮火箭發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈震動(dòng)對(duì)鏡片穩(wěn)固性的影響。”張臣說。
當(dāng)時(shí)，“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家袁為民對(duì)“龍蝦眼”的研發(fā)深表?yè)?dān)憂。他認(rèn)為，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，要確保儀器性能達(dá)到國(guó)際頂尖水平，并精準(zhǔn)滿足科學(xué)需求，并不容易。對(duì)于張臣而言，研發(fā)“龍蝦眼”也無疑是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
研制任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重，張臣沒有太多試錯(cuò)機(jī)會(huì)。“為了加速研發(fā)進(jìn)程，我會(huì)盡量在初期就構(gòu)思出各種可能的路徑和方法，然后在實(shí)踐中嘗試不同組合，以期盡快找到最優(yōu)方案。”張臣說。
以鏡頭組裝為例，鏡片變形是一個(gè)關(guān)鍵問題，而變形往往源于膠接過程中膠水的收縮。由于鏡頭被設(shè)計(jì)成4個(gè)部分，在摸索鏡片安裝工藝過程中，張臣巧妙地對(duì)每個(gè)部分采用不同的膠接策略以提高工藝驗(yàn)證效率。
張臣和團(tuán)隊(duì)還搭建了一整套“龍蝦眼”光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)化裝調(diào)設(shè)備。該設(shè)備采用特殊設(shè)計(jì)的夾具和精密的機(jī)械手進(jìn)行裝配，并使用應(yīng)力較小的膠水對(duì)鏡片進(jìn)行固定。在膠水凝固過程中，團(tuán)隊(duì)采取了保護(hù)措施，確保鏡片穩(wěn)固且不變形。同時(shí)，每個(gè)鏡片的位置和指向都可進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以保證整個(gè)光學(xué)組件的一致性。
張臣介紹，無論是鏡片生產(chǎn)工藝、鏡頭設(shè)計(jì)加工還是裝配流程，團(tuán)隊(duì)都采用了與國(guó)外不同的創(chuàng)新路徑，并取得了顯著成果。
追求精度效益無止境
“天關(guān)”衛(wèi)星外形猶如一朵綻放的“花朵”，其搭載的12個(gè)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡仿佛12片“花瓣”。在宇宙中，這朵“花朵”靜靜地等候著于沉寂黑暗中偶爾綻放的“宇宙焰火”。
張臣介紹，常規(guī)的X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)大概是地球上看到的月亮那么大，而“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)可達(dá)到約1.5萬個(gè)月亮那么大，相當(dāng)于全天面積的1/12。這意味著“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在國(guó)際上首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)全天監(jiān)測(cè)和X射線聚焦成像，可高效監(jiān)測(cè)天體的X射線變化。
“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)是世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡之一。然而，在回顧設(shè)計(jì)、研發(fā)、發(fā)射等全過程后，張臣認(rèn)為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在諸多方面可以做得更好，包括鏡片光學(xué)質(zhì)量、鏡頭的裝配水平，以及整體設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)等。
例如，在光學(xué)方面，張臣認(rèn)為縮小光斑尺寸，可進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。同時(shí)，定位精度也存在優(yōu)化空間。“若能將定位精度提升至幾十個(gè)角秒，甚至20個(gè)角秒以內(nèi)，將極大提升天文觀測(cè)效率。”張臣說，在天體密集區(qū)域，高精度定位能讓科學(xué)家在繁星中迅速鎖定觀測(cè)目標(biāo)。
張臣表示，“天關(guān)”項(xiàng)目已經(jīng)獲得國(guó)際天文界高度評(píng)價(jià)。他希望“天關(guān)”項(xiàng)目在未來兩年內(nèi)能夠取得更多重大科學(xué)成果。
“科學(xué)界有這么一句話，‘多說無益，給我數(shù)據(jù)’。對(duì)于科學(xué)裝備和儀器研發(fā)人員而言，不能光說不練，要拿出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說話，好的觀測(cè)結(jié)果才是裝備儀器研發(fā)人員的獎(jiǎng)牌。”他說。
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-2-766-0.html張臣：給“天關(guān)”衛(wèi)星裝上“龍蝦眼”
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