停滯40餘年!今清華團隊領銜,實現史上第二次天體X射線偏振測量

5 月 11 日，由清華大學主導的空間天文項目 「極光計劃」 成果，刊登在了最新一期的《自然 · 天文》上。該期刊是天文與天體物理領域的頂尖期刊，影響因子為 10.5。

在研究中，清華大學天文系教授馮驊課題組與合作者通過發射小衛星，成功運行了近半個世紀以來第一個專門的空間軟 X 射線偏振探測器。並且，在經過以 「年」 為單位的長期觀測後，X 射線偏振探測器探測到來自蟹狀星雲及脈衝星的信號，並首次發現了脈衝星自轉突變和恢復過程中 X 射線偏振信號的變化，說明在此過程中脈衝星磁場發生了變化。

探測結果也標誌著，由於技術困難停滯了40 多年的天文軟 X 射線偏振探測窗口重新開啟。

中科院高能所粒子天體物理中心主任張雙南研究員評價稱：「極光計劃發展了最先進的 X 射線偏振測量技術，實現了歷史上僅有的第二次天體 X 射線偏振測量。這不但驗證了 40 多年前的第一次測量結果的正確性，而且還很有可能發現了一個極具科學價值的新現象，這有助於理解中子星的內部結構以及自轉變化如何影響其外部磁場。」

X 射線偏振探測：看宇宙中的 3D 場景

天文學是一門觀測驅動的科學，天文學的發展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段。新的觀測手段往往是人類觀測天文現象的全新感官，「極光計劃」所使用的 X 射線偏振探測器就屬於這樣一個新手段。

偏振和波長（顏色）一樣，其實都是光的一個基本屬性，平時我們聽的不多，但實際生活中也並不少見，比如在看 3D 電影時，佩戴的眼鏡其實就是一個偏振的濾光片。

不戴偏振眼鏡時，熒幕上會有重影，而戴了偏振眼鏡之後，偏振的濾光片會讓一部分的影像進入左眼，讓另一部分進入右眼，從而在大腦裡製造一個 3D 的效果，這是一個很典型的應用場景。

不過這些偏振都是在可見光的波段，肉眼能夠直接看到這些光線，而 X 射線則是不可見光。

X 射線偏振在天文觀測領域具有著重要作用。馮驊表示，「黑洞、中子星這類非常極端的天體雖然光學輻射很弱，卻是很強烈的 X 射線輻射體。利用 X 射線偏振測量，我們能夠獲得高能輻射區域磁場方位、天體的幾何對稱性，從而進一步理解與黑洞、中子星等密切相關的天文現象的物理過程發生機制，對高能天體物理而言意義重大。

馮驊進一步解釋稱，對天體研究來說，磁場分布情況是一個很重要的信息，通過 X 射線偏振，我們可以非常有效地測量天體究竟是一致的磁場，還是紊亂的磁場；另外，它可以幫助解決天體的幾何對稱性問題，例如，我們可以很輕易地分辨出眼前的足球是球形對稱，而橄欖球不是，這是因為距離很近，而當一個半徑只有十公裡的中子星在距離我們幾萬到幾十萬光年的尺度上時，這個中子星即使用最先進的光學望遠鏡觀測，都只是一個點，無法分辨其形狀。

也就是說，通過偏振光，天文學家能夠更加輕易解析天體的形狀是怎樣的，是否對稱等問題。這也是其科學價值的體現。

由於 X 射線波長非常短，不存在像可見光偏振片那樣合適的濾鏡，X 射線偏振的測量變得極其困難。

於是，早在 1968 年，美國科學家就率先開展了天文 X 射線偏振探測，並在 1971 年發射的探空火箭上完成了 247 秒的曝光，第一次發現蟹狀星雲的 X 射線輻射可能具有高度線偏振，並在 1975 年上天的 OSO-8 衛星上完成了首次精確測量。

然而在過去的 40 多年裡，這次測量竟然成為人類唯一一次成功測量到太空的 X 射線偏振。儘管此後科學家們不斷論證 X 射線偏振的用處，預言探測偏振對天體物理的科學價值，卻再也沒有第二個 X 射線偏振探測設備在空間運行。

時隔四十多年再獲成功

「X 射線偏振探測和光學探測在天文學中代表的物理意義是不同的，因此也是無法替代的。」馮驊表示。從半個世紀前科學家嘗試打開這一探測窗口，也說明大家意識到了它的重要性。在過去幾十年裡，各國科學家也都在努力重啟這一探測窗口。

但一直以來，探測靈敏度不足，被認為是 X 射線偏振技術的主要瓶頸之一。

技術轉機最終出現在 2001 年。當時歐洲的粒子物理科學家，做了一個很大的環形對撞機，為了在環形對撞機的頂點周圍探測這些粒子徑跡，他們發展了高解析度的二維位置靈敏的氣體探測器。最終來自義大利的科學家證實了這種新型粒子探測技術可用於高靈敏度 X 射線偏振測量。馮驊團隊認為，這為 X 射線偏振測量帶來了「一種近乎理想的探測技術」。

2009 年，回到清華大學任教不久的馮驊開始帶領團隊，在國際合作的基礎上，對 X 射線偏振探測技術進行探索和改進。直到 2018 年 10 月，探測器搭載在銅川一號衛星發射升空，這個只有火柴盒大小的探測器，在結合了多國研究成果的基礎之上，最終也凝結了馮驊團隊前後近 10 年的研發心血。如今，探測器發射已經超過一年半，包括該探測器在內的科學儀器仍在持續工作當中。

這個小小的探測器，其最上方有一個蜂窩煤狀的準直器，作用是屏蔽掉其他方向過來的 X 射線，以提高信噪比。而真正靈敏的部分是一個僅一元硬幣大小的氣體腔室，在探測過程中，X 射線被腔室吸收之後，產生一個電子，然後電子運動會留下一個徑跡，這就是傳感器能夠直接測量到的圖像。研究團隊再分析電子運動的圖像，來最終推測入射光的 X 射線偏振。

此次研究仍然聚焦在蟹狀星雲，它是首個被確認與人類所觀測到過的超新星爆發事件有關的天體區域，其中心為一顆脈衝星，探測器就要鎖定來自蟹脈衝星的信號。

根據論文，極光探測器在 2019 年 7 月 23 日成功捕捉到了蟹脈衝星的一次 「旋轉頻率突增」 事件，研究人員則根據脈衝信號的相位分布和時間分布，將數據分別按 「高相位（on-pulse）與低相位（off-pulse）」 和「旋轉頻率突增事件發生前與旋轉頻率突增事件發生後」的分類進行了分析。根據結果，高相位處的脈衝信號所展現出的偏振信息在 「旋轉頻率突增事件」 後有發生突變，低相位處的偏振信息則沒有太大的變化，而在按時間順序劃分的數據上，研究人員認為在 「旋轉頻率突增事件」 發生後的 30 到 100 天內，信號偏振信息中的 「偏振比例（polarization fraction）」 呈現出明顯的下降趨勢，並排除了背景輻射信息以及儀器靈敏度會對蟹脈衝星輻射信號的偏振信息構成影響的可能。

研究認為，信號所呈現出的 「偏振比例突變」 可能是由旋轉頻率突增事件發生後，信號的 「偏振角（polarization angle）」 信息所呈現出的急劇變化造成，雖然蟹脈衝星所在的蟹狀星雲本身的輻射偏振信息發生改變也有可能會使觀測數據呈現這種變化趨勢，但如果不是這種情況的話，在 「高相位」 處出現信號高偏振的情況對目前幾乎所有已知的脈衝星模型來說都將是一個挑戰，因此人們很有必要在未來使用更為先進的觀測手段，對此類事件進行進一步的跟蹤探測和研究。

研究人員表示，此次研究的意義在於它證實了 「軟 X 射線偏振觀測法」 在實際的觀測活動中，能以較低的時間和經濟成本產出有意義的數據，而這將為後續一些其它還在計劃中的 「軟 X 射線偏振探測器」 項目提供強有力的支持，正式宣告了 「軟 X 射線偏振觀測法」 在宇宙探索任務中的回歸。

圖 | 「極光計劃」立方星和探測器結構示意圖（左）與實物照片（右）

未來計劃

「極光計劃」探測器是 40 多年來國際上第一個專門的空間天文軟 X 射線偏振探測器，宣告了這個天文探測窗口的重新開啟，而關於蟹狀星雲脈衝星自轉變化物理過程的意外發現，也說明了這個新窗口的重要性。

馮驊向 DeepTech 介紹，未來團隊還會繼續極光計劃的觀測，因為該計劃還在持續產生有用的科學數據；另一方面，馮驊也希望再去做一個比極光計劃更大、精度更高的觀測設備。「極光計劃使運用的荷載大概不到一公斤，那麼整個衛星大概也就幾公斤，接下來我希望做一個載荷，衛星質量大概在 20~30 公斤，我們將其命名為 LAMP，這是一個更加靈敏的 X 射線偏振望遠鏡。」

與此同時，「極光計劃」所採取的技術將被應用到我國下一代大科學工程 「增強型 X 射線時變與偏振天文臺(eXTP)」 上。eXTP 是中國領導的大型中歐合作項目，預計 2027 年發射。

張雙南是 eXTP 的首席科學家，他認為，極光計劃的成功表明，目前正在研製和計劃中的 X 射線偏振測量空間項目的科學潛力巨大，其結果也對未來新項目的科學目標確定和技術方案選擇提供了新的思路。」

商業航天助力

「極光計劃」能夠成功，與國內商業衛星公司的出現是分不開的，更多小型化、更低成本的衛星為天文觀測帶來新的助力。據了解，極光計劃中的探測器是搭載在重量僅有數公斤的微小衛星「銅川一號」上，該衛星由國內頭部的商業衛星公司天儀研究院研製。

圖 | 銅川一號衛星（來源：天儀研究院）

作為一門觀測驅動的科學，天文學的發展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段，尤其是新的探測技術和方法都需要飛行驗證。以往天文衛星對衛星平臺要求很高，一般都是上噸級的大衛星，這就造成研發成本高、周期長，最終很多實驗只能停留在理論驗證階段。

馮驊表示，商業衛星公司的出現對天文學者來說，最大的變化是可獲取的渠道變得更多了。他表示，以往發射儀器需要向國家提交建議書，還要經過層層評審，最終失敗的概率很高。

而且天文學的特點是發現性，這意味著最終的科學價值往往不是最初在建議書中提到的，多數的科學發現也都不是最初規劃出來的成果。

商業衛星的商業化追求，讓科研團隊能夠以更低的價格進行觀測實驗，「從一個課題組的角度我們可以用得起衛星了。如果是等國家立項，發改委再批准的話，這個成本肯定不是一個課題組能夠做得了的，一般需要聯合多個單位一起完成，所以商業衛星能讓一些實驗變得可獲得、變得更容易，也變得更快，那麼有一些新的技術我們就可以馬上應用到實際的觀測當中。」

作為低成本衛星的受益者，馮驊希望將來能出現更多不同的衛星，利用這些更低成本、靈活的技術將有助於天文觀測活動的發展。

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