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清华大学冯骅团队:仰望星空 做以“年”为量级的研究
2020-05-18 中国青年报

《自然·天文》杂志封面图清华大学供图

  在最新一期的《自然-天文》杂志封面,湛蓝的宇宙中,一个小小的探测器正朝着一团巨大的、银白色的星云前进。

  这是清华大学天文系教授冯骅课题组与合作者的研究成果。5月11日,《自然-天文》杂志发表封面文章,报道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。

  此外,团队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。

  而在这背后,是一个年轻教授和几个学生一直进行的,以“年”为量级的研究。

  停滞40年的天文探测实验重启

  “在天文学领域里,利用X射线偏振测量,人们能够获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性,从而进一步理解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程发生机制,对高能天体物理而言意义重大。”冯骅说。

  早在1968年,美国科学家就率先开展了天文X射线偏振探测,并在1971年发射的探空火箭上完成了247秒的曝光,第一次发现蟹状星云的X射线辐射可能具有高度线偏振,并在1975年上天的OSO-8卫星上完成了首次精确测量。

  然而,40多年过去了,科学家们不断论证X射线偏振的用处,预言探测偏振对天体物理的科学价值,却再也没有第二个X射线偏振探测设备在空间运行。探测灵敏度不足,被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。

  技术转机出现在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。这为X射线偏振测量带来了“一种近乎理想的探测技术”。2009年,回到清华大学任教不久的冯骅开始带领团队,在国际合作的基础上,对X射线偏振探测技术进行探索和改进。

  2018年10月29日,清华大学主导的空间天文项目“极光计划”探测器发射升空。同年12月18日,极光计划的探测器开启高压投入运行,成功探测到了空间X射线。2019年3月,探测器进入常规观测,盯准了蟹状星云脉冲星。

  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。

  专注做以“年”为量级的研究

  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。以“年”为单位的长期观测,让冯骅和他的学生们得到了不少收获。

  2010年年初,第一次向冯骅请教的清华大学工程物理系学生李红,对X射线偏振可以说知之甚少,但听完老师的介绍,李红立刻动心了:“一方面对研究方向很感兴趣;另一方面也发现本科阶段关于核科学核技术方面的知识积累,可以应用到天文研究领域。”

  以本科毕业设计为起点,李红跟随冯骅攻读博士学位,全心投入到偏振测量方法和仪器研究中。“在X射线偏振探测发展的停滞阶段,又恰逢新技术的出现,我们更希望做前沿性工作。”李红说。

  在实验室研究阶段,团队的目标就一直是“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器。这种新型X射线偏振探测器外形大致如一个火柴盒大小,传感器面积大概相当于一枚硬币。然而,单是探测气体密封在“火柴盒”内,实现长期稳定的工作性能,就花了团队整整两年时间。

  在冯骅看来,某些科学问题需要对一个科学目标进行长期的跟踪与观测,“极光计划”使用的立方星恰好成为大型天文项目的一种弥补手段。值得注意的是,“极光计划”探测器和卫星的日常运行均由学生负责。

  “极光计划为我们的人才培养和交叉研究提供了很好的平台。一个完整天文项目的经历,能够极大丰富同学们的学术训练。此外,我们的立方星同时装载了清华大学学生项目‘天格计划’的首个探测器。”冯骅说。

  大项目里的螺丝钉VS小项目里的统帅

  如今,“极光计划”团队不大:带头人冯骅、一名工程师、一名博士后和三四名学生。团队虽小,在技术支持和数据处理方面的分工运转,也和空间中的立方星一样有条不紊。

  来自清华大学物理系的龙翔云,因兴趣使然,大二即加入了冯骅参与指导的学生项目“天格计划”,积极建设伽马暴探测网络。2019年,龙翔云的本科毕业设计就转向“极光计划”,并继续跟随冯骅读博。过去的一年多,龙翔云为探测器编写“日更”指令集,已经完成3000多次开关机指令。

  卫星日常运行设计,超出了团队专业范围;控制程序设计,对于物理系龙翔云来说也属跨界。“团队虽小,五脏俱全。”龙翔云说,大多数成员都是因兴趣加入的,每周组会和灵活讨论中,来自工程物理和物理等各院系的成员们发散讨论、相互促进:“在项目推进中学以致用,我们都希望懂得更多一些。”

  这个特殊的寒假,留守实验室的李红、居家的龙翔云和其他成员都跟上进度,推动着“极光”系列的运行和发射计划。

  “在大项目里,学生可能只当一枚螺丝钉就够了,但在小项目里,他们被逼着当统帅。需要兼顾项目运行的各个方面,他们不仅要熟悉自己的专业,还要了解学习其他相关学科的内容,这样的训练要求学生们不仅要专要细,还要有‘统帅’的能力。”冯骅告诉记者。

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