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6月26日，“天關”衛星的一個重磅發現吸引了全球天文愛好者的目光：“天關”衛星成功捕捉到一個轉瞬即逝的宇宙X射線信號，為揭示恒星死亡過程提供了全新視角。

“天關”衛星由中國科學院微小衛星創新研究院抓總研制，是一顆面向時域天文學的發現型X射線天文探測衛星。它是“宇宙焰火”的精準“捕手”，在軟X射線波段開展高靈敏度實時動態巡天監測，能夠系統性地發現宇宙高能暫現和劇變天體，探究其本質和物理過程。

“天關”衛星是國際首顆大視場X射線成像衛星。中國科學院微小衛星創新研究院副院長、“天關”衛星總設計師張永合與國內外科研工作者一道，不斷創新突破，挑戰性能極限。日前，張永合接受科技日報記者采訪，講述“天關”衛星背后的攻關歷程和團隊成長故事。

破解觀測難題

記者：請您介紹下“天關”衛星名字的由來。

張永合：我國很多空間科學衛星都有一個結合中華優秀傳統文化和現代科技的名字，比如墨子號、悟空號、夸父一號等。天關星是金牛座的一顆星。公元1054年，天關星附近出現了一個很亮的爆發源，當時北宋的司天監觀測并記錄下了這一事件，將這次爆發的超新星稱為天關客星。

雖然我國最早記錄了天關客星，但在現代天文研究中，對其的觀測工作一度依靠國外的設備，例如錢德拉X射線天文臺、哈勃空間望遠鏡等。“天關”衛星的出現打破了我國在這一領域的“缺席”局面。歷經千年，我們中國人用自己研制的設備，重新“看到”了它，因此這顆衛星被命名為“天關”衛星。

記者：這如同一次穿越古今的“對視”。

張永合：是的，我們常說中國“天關”，一眼千年。這句話其實有兩層含義。一方面，通過“天關”衛星，研究人員能夠看到上億年前的宇宙天體。另一方面，這也代表著經過了千年，我國天文觀測能夠再續輝煌。在古代，我國天文學家用眼睛來看，用筆墨來記錄天關客星。今天，我們用高科技重新“審視”它。

記者：“天關”衛星的主要任務是什么？

張永合：“天關”衛星的主要任務，是在軟X射線波段開展觀測，發現宇宙中的暫現源和劇烈爆發天體。

暫現源是指在短時間內出現，然后很快消失的天體爆發事件。它來得快，去得也快，人們把它形象地稱作“宇宙焰火”。古人把暫現天體稱作“客星”，就是說和恒星相比，它如同“做客”一樣，不久就“走了”。天關客星就是典型的暫現天體。歷史記載，它的亮度很強，無論白天晚上都能被看到。但這樣的亮度持續了23天，后面就一點點地暗淡直至徹底看不見。劇烈爆發天體則是指亮度在短時間內突然出現極大增長的天體。

記者：觀測暫現源和劇烈爆發天體的目的是什么？

張永合：科學家們認為，暫現源和劇烈爆發天體產生于天體形成和演化的關鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關鍵信息。同時，它們在爆發時產生的能量非常大，能夠把這些關鍵信息傳播得更遠、更久。通過觀測工作，我們甚至能夠接收到來自上百億年前的信息。這些宇宙形成早期的信息非常珍貴，對于研究宇宙中的極端現象、探索宇宙演化奧秘具有重要意義。

“天關”衛星的另一個名字“愛因斯坦探針衛星”（Einstein Probe），也體現了研究的目的。愛因斯坦廣義相對論中有關于黑洞、引力波的相關預言。而產生引力波時，可能伴隨X射線輻射或其他種類的電磁輻射。如果有引力波事件發生，“天關”衛星可以調整觀測角度，監測是否有與引力波相對應的電磁輻射信號，使研究人員能夠進一步探索神秘的黑洞和引力波。

打造“全能冠軍”

記者：對比國際上其他觀測暫現源的設備，“天關”衛星有哪些特點？

張永合：相比國際同類衛星，“天關”衛星有三個突出特點：大視場、高靈敏、準定位。作為一顆發現型的衛星，它不僅要具有靈敏的“嗅覺”，還要具有寬闊的“眼界”，只有這樣才能捕捉到一閃而過的“宇宙焰火”。在發現暫現源后，“天關”衛星還能將其精準定位，定位精度可以達到1角分。目前國際上能同時做到大視場和高靈敏的軟X射線探測衛星，只有“天關”衛星。

此外，“天關”衛星能快速地與全球天文觀測設備進行信息交互。它還搭載了兩個焦距達1.6米的后隨X射線望遠鏡，能看到更深遠的宇宙空間。因此，我們也形容它為兼具“廣巡視、精捕捉、快響應、深觀測、速聯網”優點的五項全能冠軍。

記者：為了成為“五項全能冠軍”，科研團隊進行了哪些創新設計？

張永合：可以說“天關”衛星是一顆逐步成長的衛星。研制過程中，我們不斷嘗試，努力挑戰衛星性能極限，做到不留遺憾。一個數據可以說明其性能的不斷提升：在立項初期，“天關”衛星的設計重量僅有1噸，等到發射的時候它的重量已達1.4噸。

例如，為了實現“廣巡視、精捕捉”，我們創新使用了“大眼”+“小眼”的設計。“大眼”是指12臺軟X射線望遠鏡（WXT）模塊。通過運用“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術，它不僅具有3600度的大視場，還實現了觀測靈敏度和空間分辨率1至2個數量級的提升。“小眼”是指兩臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。它的視場雖然不到1度，但接收光子的面積更大，看得更清晰，是“天關”衛星的“千里眼”。

為了實現“大眼”“小眼”的快速切換、精準配合，我們在衛星上設計了全自主的探測、處理、定位、機動、信息分發響應流程，能夠自主識別與分析暫現源，自動排列優先級，實時發布暫現源位置及光子信息并觸發衛星機動；還配置了6個大力矩反作用飛輪，保證后隨望遠鏡能夠即時指向龍蝦眼望遠鏡發現的暫現源，開展后隨深度觀測。

記者：什么是“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術？

張永合：這與成像原理有關。簡單來說，“天關”衛星的成像原理類似光學相機，要對“光”進行聚焦和處理。但難點在于，常規光學器件無法聚焦“天關”衛星收集的軟X射線。科學家們想到了龍蝦的眼睛。龍蝦眼是反射式復眼，由上千個“小眼”（多個獨立光學單元）組成，這樣的結構帶來了大視野和較強的聚光能力。

仿照龍蝦的眼睛，載荷團隊在軟X射線望遠鏡上應用了微通道光學（MPO）成像技術。12個望遠鏡共配置了432個MPO鏡片，每個MPO鏡片上面分布著上百萬個微小的方孔。X射線光子在進入小孔后，會在光滑的微通道內壁上發生全反射，并在背照式CMOS探測器上聚焦成像。這樣，“天關”衛星就有了幾億個接收宇宙深處X射線光子的微孔。

記者：從圖片上看，14只“眼睛”的排布也很有特點。

張永合：是的，“天關”衛星像一朵盛開的蓮花，2臺后隨望遠鏡是“花蕊”，12臺龍蝦眼望遠鏡是“花瓣”。它們高低錯落分布，凝視著不同天區。一塊高聳的遮陽板將這朵“蓮花”保護起來，有效阻止了太陽光線對儀器觀測造成干擾。

值得一提的是，在最初的兩版方案中，并沒有這把“遮陽傘”。隨著研究的深入，科學家們希望觀測一些靠近太陽的目標。當時距離投產僅剩幾個月。為了不讓衛星帶著科學家的遺憾上天，我們給衛星動了一次“大手術”，增加了遮陽板，同時采用了全桁架式光學平臺，將12臺龍蝦眼望遠鏡傾斜起來，避開遮陽板的干擾，讓12只“龍蝦眼”目光炯炯地注視著宇宙深空。

記者：“天關”衛星在通訊方面進行了哪些創新？

張永合：衛星在天上并不是“孤軍奮戰”，而是通過聯動地面設備和其他衛星，實現有效信息的共享，以達到更好的觀測效果。為了讓“天關”衛星快速與其他設備“說上話”，我們應用VHF與北斗短報文系統，建立起“天關”衛星實時通訊關系網，實現了與全球天文觀測設備的一體化“互聯”模式。

VHF是法國空間研究中心建設的一個地面VHF波段實時接收網絡，我們可以借助它將“天關”衛星的觀測結果快速發送給其他設備。北斗短報文系統則類似于互發短信的形式，僅需幾個字節就能將重要目標的天文位置坐標發到“天關”衛星上。

后續，我們還計劃進行軟件升級優化，提升“天關”衛星和中法天文衛星等其他設備的通訊交流效率。

培育新生力量

記者：衛星是一個極為復雜的系統。“天關”衛星的研發、運行由怎樣一群科研人員來支撐？

張永合：我們是一支比較年輕的團隊，骨干成員年齡在三十歲左右。團隊總規模近百人，包括衛星設計、載荷設計、計算機、機械、電子信息等專業的人才。研制空間科學衛星是一個不斷獲得新認識的過程，每當遇到問題，我們都會在一起探討，群策群力解決問題。

我是控制專業出身。在衛星研制過程中，我不斷向天文學家們學習天文知識，同時了解他們對衛星的需求。通過掌握相關知識，我能夠在優化設計方案、提升衛星性能的同時，做好潛在風險的評估。

記者：空間科學衛星是國際航天領域科技制高點，您認為我們需要怎樣的空間科學人才？

張永合：首先，我們需要具備全球視野的天文學家，他們能夠提出關鍵的、前瞻性的科學問題，引領空間科學發展。其次，我們需要一批理解天文學的衛星系統工程師，他們屬于跨界人才，讓天文學和工程技術兩個領域“手牽手”，我扮演的就是這一角色。空間科學人才還要能夠與全球的科學家開展合作交流。

此外，我們還需要一批新生力量。空間科學衛星的研制時間很長，遇到的問題都很新。“天關”衛星從提出構思到發射經過了十余年，十年前參與研制的年輕人如今已步入中年。為了保證這一領域的長期、持續發展，我們必須壯大后備軍，培養熱愛空間科學、愿意長期專注這一領域的后備力量。

記者：您認為應該如何培養優秀的空間科學人才？

張永合：我覺得應當進一步豐富空間科學相關項目的數量和種類，增加經費投入，在實戰中培養人才。如今我們國家對空間科學領域的投入不斷增大，陸續開展了“夸父”“天宮”“慧眼”等大、中型項目，但是終究只有少數科研人員能參與其中。我們現在缺少的是有特色的小項目，比如立方星、微小衛星等。我們需要在這些小項目中歷練人才。

此外，中國航天事業發展至今，取得了很多經驗。但是空間科學的理念和傳統航天存在一定區別，比如應用類的衛星往往在設計之初就定好了工程指標，而空間科學衛星的工程指標是隨著認識的深入不斷調整的。因此，我認為在培養人才的過程中，要注重區分兩者不同，培育面向未來、面向國際的空間科學人才。