極光計劃：經過近半世紀等待，這項探測終於重新開啟……

2023-04-01 03:45:01 1

北京時間5月11日，清華大學天文系教授馮華及其同事在《自然天文學》雜誌上發表了一篇文章，報導了清華大學主導的天文項目極光工程的最新成果。裝有極光項目的X射線偏振探測器在衛星上觀測一年後，探測到蟹狀星雲和脈衝星(一種中子星)的軟X射線偏振信號，並首次發現脈衝星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化，表明脈衝星磁場在此過程中發生了變化。

這一探測結果也標誌著天文軟X射線偏振探測窗口的重新開放，該窗口由於技術困難已經停頓了40多年。

檢測X射線偏振到底要測量什麼？

「偏振」和光的顏色(波長)都是電磁波的基本屬性之一。戴偏光眼鏡看3D電影是偏光原理在生活中的常見應用。然而，X射線偏振被認為是一種具有重要科學價值的天體物理探測器，是研究黑洞和中子星等高能量天體的有力工具。

「x光也是一種電磁波。我們希望在x光波段看到宇宙的三維場景——不像在電影院看到的三維圖像，但這確實是一個新的檢測維度。」馮華解釋說，非常極端的天體如黑洞和中子星是非常強的X射線輻射器，儘管它們的光輻射很弱。由於X射線的波長很短，沒有像可見偏振器那樣合適的濾光器，X射線偏振的測量變得極其困難。然而，通過利用X射線偏振測量，人們可以獲得高能輻射區的磁場取向和天體的幾何對稱性，從而進一步了解與黑洞、中子星等密切相關的天文現象的物理過程機制。

早在1968年，美國科學家就率先進行了天文X射線偏振探測，並在1971年發射的探測器空火箭上完成了247秒的曝光。這是首次發現蟹狀星雲的X射線輻射是高度線偏振的，第一次精確測量是在1975年發射的OSO 8號衛星上完成的。

然而，40多年過去了，科學家們不斷證明X射線偏振的有用性，並預測探測偏振對天體物理學的科學價值。然而，沒有第二個X射線偏振檢測裝置在空之間工作。檢測靈敏度不足被認為是X射線偏振技術的主要瓶頸之一。

"極光項目"立方體星和探測器結構圖

x光偏振技術的難點是什麼？

2001年發生了技術轉變。隨著核探測技術的發展，義大利科學家已經證實，一種新的粒子探測技術可以用於高靈敏度的X射線偏振測量。這為X射線偏振測量帶來了「一種近乎理想的檢測技術」。

2009年，清華大學馮華教授帶領團隊探索和完善了X射線偏振探測技術。在國際合作的基礎上，經過多年的技術積累，實驗室研製出高靈敏度、低系統誤差的X射線偏振儀。

在實驗室研究階段，該團隊的目標一直是「製造一種長壽命、高性能的檢測器，能夠滿足空之間的應用要求」。這種新型的X射線偏振探測器大約有火柴盒那麼大，傳感器的面積大約相當於一枚硬幣。早期的探測方案很清楚:X射線通過鈹窗進入探測器，並通過探測氣體的光電效應產生光電子。入射X射線的偏振信息可以通過測量穿過氣體的移動光電子留下的二維軌跡來推斷。

然而，火柴盒大小的探測器的瓶頸之一是探測器包。由於探測器是一個封閉的環境，當充滿純探測氣體時，吸附在探測器結構材料表面的雜質氣體會緩慢釋放，導致探測氣體的純度下降，從而導致性能下降，嚴重時會「燒毀」探測器。

「空天文學是一項系統工程，哪個環節出錯，整個項目就會失敗，這也是空天文學項目的難點。」馮華說。

掌握「封閉式氣體檢測器包裝技術」的過程是一個徹底的跨學科項目。該團隊就超高真值空的技術問題諮詢了中國計量與內部凝聚態物理研究所的專家；對於結構材料問題，參考「航空空」的航空材料標準，通過反覆試驗和比較，選擇滿足結構強度且放氣率極低的材料。如果檢測器的包裝環境有縫隙，應設置超淨室，並進行烘烤和脫氣，以找到減少雜質成分的方法。我們還找到了一家獨家研究機構來開展氣體淨化工作，將氣體純度從市場上常見的99.9%提高到99.999%...

到目前為止，該團隊已經邁出了重要的一步:成品探測器已經達到了長壽命的要求，其性能不會從最初的30分鐘左右的工作壽命改變到密封后的5-10年。

奧羅拉項目發現了什麼？

新的探測技術和方法需要飛行驗證。為此，馮華教授提出了「極光計劃」，希望利用微納衛星平臺在衛星軌道上直接驗證X射線偏振探測技術，以提高技術成熟度，用於未來空天文探測。

2018年10月29日，「極光計劃」探測器發射出0+的上升信號，經過一年的觀測，它探測到蟹狀星雲的x射線偏振信號，發現了與脈衝星有關的新的天體物理現象，即當蟹狀星雲脈衝星的自轉周期突然改變時，其x射線偏振也發生了顯著變化。

脈衝星是極其精確的「時鐘」，但它們經常在某個時間點經歷突然變化，然後慢慢恢復。旋轉的這種突然變化是一種需要研究的天文現象。2019年7月23日，蟹狀星雲脈衝星經歷了一次突然的旋轉突變。其偏振信號的變化被「極光工程」探測器捕捉到，幾十天後其偏振信號慢慢恢復。這一新發現有助於理解脈衝星的內部結構，脈衝星是中子星。

「極光工程」蟹狀星雲觀測藝術表演圖。