停滞40余年!今清华团队领衔,实现史上第二次天体X射线偏振测量

停滞40余年!今清华团队领衔,实现史上第二次天体X射线偏振测量
麻省理工科技评论 2020-05-13

2020-05-13

极光计划发展了最先进的 X 射线偏振测量技术,实现了历史上仅有的第二次天体 X 射线偏振测量。
极光计划发展了最先进的 X 射线偏振测量技术,实现了历史上仅有的第二次天体 X 射线偏振测量。

5 月 11 日,由清华大学主导的空间天文项目 “极光计划” 成果,刊登在了最新一期的《自然 · 天文》上。该期刊是天文与天体物理领域的顶尖期刊,影响因子为 10.5。

在研究中,清华大学天文系教授冯骅课题组与合作者通过发射小卫星,成功运行了近半个世纪以来第一个专门的空间软 X 射线偏振探测器。并且,在经过以 “年” 为单位的长期观测后,X 射线偏振探测器探测到来自蟹状星云及脉冲星的信号,并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。

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。

亚洲网中科院高能所粒子天体物理中心主任张双南研究员评价称:“极光计划发展了最先进的 X 射线偏振测量技术,实现了历史上仅有的第二次天体 X 射线偏振测量。这不但验证了 40 多年前的第一次测量结果的正确性,而且还很有可能发现了一个极具科学价值的新现象,这有助于理解中子星的内部结构以及自转变化如何影响其外部磁场。”

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X 射线偏振探测:看宇宙中的 3D 场景

天文学是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。新的观测手段往往是人类观测天文现象的全新感官,“极光计划”所使用的 X 射线偏振探测器就属于这样一个新手段。

亚洲网偏振和波长(颜色)一样,其实都是光的一个基本属性,平时我们听的不多,但实际生活中也并不少见,比如在看 3D 电影时,佩戴的眼镜其实就是一个偏振的滤光片。

不戴偏振眼镜时,荧幕上会有重影,而戴了偏振眼镜之后,偏振的滤光片会让一部分的影像进入左眼,让另一部分进入右眼,从而在大脑里制造一个 3D 的效果,这是一个很典型的应用场景。

不过这些偏振都是在可见光的波段,肉眼能够直接看到这些光线,而 X 射线则是不可见光。

X 射线偏振在天文观测领域具有着重要作用。冯骅表示,“黑洞、中子星这类非常极端的天体虽然光学辐射很弱,却是很强烈的 X 射线辐射体。利用 X 射线偏振测量,我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。

冯骅进一步解释称,对天体研究来说,磁场分布情况是一个很重要的信息,通过 X 射线偏振,我们可以非常有效地测量天体究竟是一致的磁场,还是紊乱的磁场;另外,它可以帮助解决天体的几何对称性问题,例如,我们可以很轻易地分辨出眼前的足球是球形对称,而橄榄球不是,这是因为距离很近,而当一个半径只有十公里的中子星在距离我们几万到几十万光年的尺度上时,这个中子星即使用最先进的光学望远镜观测,都只是一个点,无法分辨其形状。

也就是说,通过偏振光,天文学家能够更加轻易解析天体的形状是怎样的,是否对称等问题。这也是其科学价值的体现。

由于 X 射线波长非常短,不存在像可见光偏振片那样合适的滤镜,X 射线偏振的测量变得极其困难。

于是,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。

亚洲网然而在过去的 40 多年里,这次测量竟然成为人类唯一一次成功测量到太空的 X 射线偏振。尽管此后科学家们不断论证 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。

时隔四十多年再获成功

“X 射线偏振探测和光学探测在天文学中代表的物理意义是不同的,因此也是无法替代的。”冯骅表示。从半个世纪前科学家尝试打开这一探测窗口,也说明大家意识到了它的重要性。在过去几十年里,各国科学家也都在努力重启这一探测窗口。

但一直以来,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。

技术转机最终出现在 2001 年。当时欧洲的粒子物理科学家,做了一个很大的环形对撞机,为了在环形对撞机的顶点周围探测这些粒子径迹,他们发展了高分辨率的二维位置灵敏的气体探测器。最终来自意大利的科学家证实了这种新型粒子探测技术可用于高灵敏度 X 射线偏振测量。冯骅团队认为,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。直到 2018 年 10 月,探测器搭载在铜川一号卫星发射升空,这个只有火柴盒大小的探测器,在结合了多国研究成果的基础之上,最终也凝结了冯骅团队前后近 10 年的研发心血。如今,探测器发射已经超过一年半,包括该探测器在内的科学仪器仍在持续工作当中。

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这个小小的探测器,其最上方有一个蜂窝煤状的准直器,作用是屏蔽掉其他方向过来的 X 射线,以提高信噪比。而真正灵敏的部分是一个仅一元硬币大小的气体腔室,在探测过程中,X 射线被腔室吸收之后,产生一个电子,然后电子运动会留下一个径迹,这就是传感器能够直接测量到的图像。研究团队再分析电子运动的图像,来最终推测入射光的 X 射线偏振。

此次研究仍然聚焦在蟹状星云,它是首个被确认与人类所观测到过的超新星爆发事件有关的天体区域,其中心中心为一颗脉冲星,探测器就要锁定来自蟹脉冲星的信号。

根据论文,极光探测器在 2019 年 7 月 23 日成功捕捉到了蟹脉冲星的一次 “旋转频率突增” 事件,研究人员则根据脉冲信号的相位分布和时间分布,将数据分别按 “高相位(on-pulse)与低相位(off-pulse)” 和“旋转频率突增事件发生前与旋转频率突增事件发生后”的分类进行了分析。根据结果,高相位处的脉冲信号所展现出的偏振信息在 “旋转频率突增事件” 后有发生突变,低相位处的偏振信息则没有太大的变化,而在按时间顺序划分的数据上,研究人员认为在 “旋转频率突增事件” 发生后的 30 到 100 天内,信号偏振信息中的 “偏振比例(polarization fraction)” 呈现出明显的下降趋势,并排除了背景辐射信息以及仪器灵敏度会对蟹脉冲星辐射信号的偏振信息构成影响的可能。

研究认为,信号所呈现出的 “偏振比例突变” 可能是由旋转频率突增事件发生后,信号的 “偏振角(polarization angle)” 信息所呈现出的急剧变化造成,虽然蟹脉冲星所在的蟹状星云本身的辐射偏振信息发生改变也有可能会使观测数据呈现这种变化趋势,但如果不是这种情况的话,在 “高相位” 处出现信号高偏振的情况对目前几乎所有已知的脉冲星模型来说都将是一个挑战,因此人们很有必要在未来使用更为先进的观测手段,对此类事件进行进一步的跟踪探测和研究。

研究人员表示,此次研究的意义在于它证实了 “软 X 射线偏振观测法” 在实际的观测活动中,能以较低的时间和经济成本产出有意义的数据,而这将为后续一些其它还在计划中的 “软 X 射线偏振探测器” 项目提供强有力的支持,正式宣告了 “软 X 射线偏振观测法” 在宇宙探索任务中的回归。

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图 | “极光计划”立方星和探测器结构示意图(左)与实物照片(右)

未来计划

“极光计划”探测器是 40 多年来国际上第一个专门的空间天文软 X 射线偏振探测器,宣告了这个天文探测窗口的重新开启,而关于蟹状星云脉冲星自转变化物理过程的意外发现,也说明了这个新窗口的重要性。

冯骅向 DeepTech 介绍,未来团队还会继续极光计划的观测,因为该计划还在持续产生有用的科学数据;另一方面,冯骅也希望再去做一个比极光计划更大、精度更高的观测设备。“极光计划使运用的荷载大概不到一公斤,那么整个卫星大概也就几公斤,接下来我希望做一个载荷,卫星质量大概在 20~30 公斤,我们将其命名为 LAMP,这是一个更加灵敏的 X 射线偏振望远镜。”

与此同时,“极光计划”所采取的技术将被应用到我国下一代大科学工程 “增强型 X 射线时变与偏振天文台(eXTP)” 上。eXTP 是中国领导的大型中欧合作项目,预计 2027 年发射。

张双南是 eXTP 的首席科学家,他认为,极光计划的成功表明,目前正在研制和计划中的 X 射线偏振测量空间项目的科学潜力巨大,其结果也对未来新项目的科学目标确定和技术方案选择提供了新的思路。”

商业航天助力

“极光计划”能够成功,与国内商业卫星公司的出现是分不开的,更多小型化、更低成本的卫星为天文观测带来新的助力。据了解,极光计划中的探测器是搭载在重量仅有数公斤的微小卫星“铜川一号”上,该卫星由国内头部的商业卫星公司天仪研究院研制。

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图 | 铜川一号卫星(来源:天仪研究院)

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,尤其是新的探测技术和方法都需要飞行验证。以往天文卫星对卫星平台要求很高,一般都是上吨级的大卫星,这就造成研发成本高、周期长,最终很多实验只能停留在理论验证阶段。

冯骅表示,商业卫星公司的出现对天文学者来说,最大的变化是可获取的渠道变得更多了。他表示,以往发射仪器需要向国家提交建议书,还要经过层层评审,最终失败的概率很高。

而且天文学的特点是发现性,这意味着最终的科学价值往往不是最初在建议书中提到的,多数的科学发现也都不是最初规划出来的成果。

商业卫星的商业化追求,让科研团队能够以更低的价格进行观测实验,“从一个课题组的角度我们可以用得起卫星了。如果是等国家立项,发改委再批准的话,这个成本肯定不是一个课题组能够做得了的,一般需要联合多个单位一起完成,所以商业卫星能让一些实验变得可获得、变得更容易,也变得更快,那么有一些新的技术我们就可以马上应用到实际的观测当中。”

作为低成本卫星的受益者,冯骅希望将来能出现更多不同的卫星,利用这些更低成本、灵活的技术将有助于天文观测活动的发展。

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