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极光计划:经过近半世纪等待,这项探测终于重新开启……

2020-05-13 作者:

北京时间5月11日,清华大学天文系教授冯华及其同事在《自然天文学》杂志上发表了一篇文章,报道了清华大学主导的天文项目极光工程的最新成果。装有极光项目的X射线偏振探测器在卫星上观测一年后,探测到蟹状星云和脉冲星(一种中子星)的软X射线偏振信号,并首次发现脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化,表明脉冲星磁场在此过程中发生了变化。

这一探测结果也标志着天文软X射线偏振探测窗口的重新开放,该窗口由于技术困难已经停顿了40多年。

检测X射线偏振到底要测量什么?

“偏振”和光的颜色(波长)都是电磁波的基本属性之一。戴偏光眼镜看3D电影是偏光原理在生活中的常见应用。然而,X射线偏振被认为是一种具有重要科学价值的天体物理探测器,是研究黑洞和中子星等高能量天体的有力工具。

“x光也是一种电磁波。我们希望在x光波段看到宇宙的三维场景——不像在电影院看到的三维图像,但这确实是一个新的检测维度。”冯华解释说,非常极端的天体如黑洞和中子星是非常强的X射线辐射器,尽管它们的光辐射很弱。由于X射线的波长很短,没有像可见偏振器那样合适的滤光器,X射线偏振的测量变得极其困难。然而,通过利用X射线偏振测量,人们可以获得高能辐射区的磁场取向和天体的几何对称性,从而进一步了解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程机制。

早在1968年,美国科学家就率先进行了天文X射线偏振探测,并在1971年发射的探测器空火箭上完成了247秒的曝光。这是首次发现蟹状星云的X射线辐射是高度线偏振的,第一次精确测量是在1975年发射的OSO 8号卫星上完成的。

然而,40多年过去了,科学家们不断证明X射线偏振的有用性,并预测探测偏振对天体物理学的科学价值。然而,没有第二个X射线偏振检测装置在空之间工作。检测灵敏度不足被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。

"极光项目"立方体星和探测器结构图

x光偏振技术的难点是什么?

2001年发生了技术转变。随着核探测技术的发展,意大利科学家已经证实,一种新的粒子探测技术可以用于高灵敏度的X射线偏振测量。这为X射线偏振测量带来了“一种近乎理想的检测技术”。

2009年,清华大学冯华教授带领团队探索和完善了X射线偏振探测技术。在国际合作的基础上,经过多年的技术积累,实验室研制出高灵敏度、低系统误差的X射线偏振仪。

在实验室研究阶段,该团队的目标一直是“制造一种长寿命、高性能的检测器,能够满足空之间的应用要求”。这种新型的X射线偏振探测器大约有火柴盒那么大,传感器的面积大约相当于一枚硬币。早期的探测方案很清楚:X射线通过铍窗进入探测器,并通过探测气体的光电效应产生光电子。入射X射线的偏振信息可以通过测量穿过气体的移动光电子留下的二维轨迹来推断。

然而,火柴盒大小的探测器的瓶颈之一是探测器包。由于探测器是一个封闭的环境,当充满纯探测气体时,吸附在探测器结构材料表面的杂质气体会缓慢释放,导致探测气体的纯度下降,从而导致性能下降,严重时会“烧毁”探测器。

“空天文学是一项系统工程,哪个环节出错,整个项目就会失败,这也是空天文学项目的难点。”冯华说。

掌握“封闭式气体检测器包装技术”的过程是一个彻底的跨学科项目。该团队就超高真值空的技术问题咨询了中国计量与内部凝聚态物理研究所的专家;对于结构材料问题,参考“航空空”的航空材料标准,通过反复试验和比较,选择满足结构强度且放气率极低的材料。如果检测器的包装环境有缝隙,应设置超净室,并进行烘烤和脱气,以找到减少杂质成分的方法。我们还找到了一家独家研究机构来开展气体净化工作,将气体纯度从市场上常见的99.9%提高到99.999%...

到目前为止,该团队已经迈出了重要的一步:成品探测器已经达到了长寿命的要求,其性能不会从最初的30分钟左右的工作寿命改变到密封后的5-10年。

奥罗拉项目发现了什么?

新的探测技术和方法需要飞行验证。为此,冯华教授提出了“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,以提高技术成熟度,用于未来空天文探测。

2018年10月29日,“极光计划”探测器发射出0+的上升信号,经过一年的观测,它探测到蟹状星云的x射线偏振信号,发现了与脉冲星有关的新的天体物理现象,即当蟹状星云脉冲星的自转周期突然改变时,其x射线偏振也发生了显著变化。

脉冲星是极其精确的“时钟”,但它们经常在某个时间点经历突然变化,然后慢慢恢复。旋转的这种突然变化是一种需要研究的天文现象。2019年7月23日,蟹状星云脉冲星经历了一次突然的旋转突变。其偏振信号的变化被“极光工程”探测器捕捉到,几十天后其偏振信号慢慢恢复。这一新发现有助于理解脉冲星的内部结构,脉冲星是中子星。

“极光工程”蟹状星云观测艺术表演图。

载人航天工程应用系统总设计师顾一栋院士说:“极光计划成功地用商用立方体星测量了蟹状星云和脉冲星的偏振信号,获得了脉冲星X射线偏振随时间变化的重要结果。同时,它开创了一条低成本开展天文研究的创新之路,对促进空大学的科学发展具有重要意义

“极光计划”探测器是40多年来世界上第一台特殊的空的天文软X射线偏振探测器,宣布这个天文探测窗口重新开放。蟹状星云脉冲星自转变化的物理过程的意外发现也说明了这个新窗口的重要性。冯华认为,有些科学问题需要对科学目标进行长期跟踪和观察。

奥罗拉项目使用的立方体星刚刚成为大规模天文项目的补救措施。“极光计划还为我们的人员培训和交叉研究提供了一个良好的平台。一个完整的天文项目的经验可以极大地丰富学生的学术训练。此外,我们的魔方之星还搭载了清华大学学生项目“田歌工程”的首个探测器冯华说。

据报道,“极光工程”采用的技术将应用于我国下一代大型科学项目“增强型x射线时变偏振观测台(eXTP)”。EXTP是由我国牵头的大型中欧合作项目,预计将于2027年启动。

资料来源:经济日报客户

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