清華大學馮驊團隊:仰望星空 做以“年”為量級的研究

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《自然·天文》雜志封面圖 清華大學供圖

  在最新一期的《自然·天文》雜志封面,湛藍的宇宙中,一個小小的探測器正朝著一團巨大的、銀白色的星雲前進。

  這是清華大學天文系教授馮驊課題組與合作者的研究成果。5月11日,《自然·天文》雜志發表封面文章,報道瞭清華大學主導的空間天文項目“極光計劃”的最新成果:“極光計劃”配備的X射線偏振探測器在衛星上經過1年的觀測,探測到來自蟹狀星雲及脈沖星(中子星的一種)的軟X射線偏振信號。

  此外,團隊首次發現瞭脈沖星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化,說明在此過程中脈沖星磁場發生瞭變化。這一探測結果也標志著,由於技術困難停滯瞭40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啟。

  而在這背後,是一個年輕教授和幾個學生一直進行的,以“年”為量級的研究。

  停滯40年的天文探測實驗重啟

  “在天文學領域裡,利用X射線偏振測量,人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。”馮驊說。

  早在1968年,美國科學傢就率先開展瞭天文X射線偏振探測,並在1971年發射的探空火箭上完成瞭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衛星上完成瞭首次精確測量。

  然而,40多年過去瞭,科學傢們不斷論證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。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。

  技術轉機出現在2001年。隨著核探測技術的發展,意大利科學傢證實瞭一種新型粒子探測技術可用於高靈敏度X射線偏振測量。這為X射線偏振測量帶來瞭“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。

  2018年10月29日,清華大學主導的空間天文項目“極光計劃”探測器發射升空。同年12月18日,極光計劃的探測器開啟高壓投入運行,成功探測到瞭空間X射線。2019年3月,探測器進入常規觀測,盯準瞭蟹狀星雲脈沖星。

  脈沖星是一種極其精確的“時鐘”,但是經常會在某一個時間點發生一次突變,然後慢慢恢復,這種自轉突變是一種有待研究的天文現象。2019年7月23日,蟹狀星雲脈沖星發生瞭一次自轉突變,其偏振信號的變化被“極光計劃”探測器捕捉,經過幾十天它的偏振信號又慢慢恢復,這一新的發現有助於理解脈沖星也就是中子星的內部結構。

  專註做以“年”為量級的研究

  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。以“年”為單位的長期觀測,讓馮驊和他的學生們得到瞭不少收獲。

  2010年年初,第一次向馮驊請教的清華大學工程物理系學生李紅,對X射線偏振可以說知之甚少,但聽完老師的介紹,李紅立刻動心瞭:“一方面對研究方向很感興趣;另一方面也發現本科階段關於核科學核技術方面的知識積累,可以應用到天文研究領域。”

  以本科畢業設計為起點,李紅跟隨馮驊攻讀博士學位,全心投入到偏振測量方法和儀器研究中。“在X射線偏振探測發展的停滯階段,又恰逢新技術的出現,我們更希望做前沿性工作。”李紅說。

  在實驗室研究階段,團隊的目標就一直是“做出能夠滿足空間應用需求的長壽命、高性能”的探測器。這種新型X射線偏振探測器外形大致如一個火柴盒大小,傳感器面積大概相當於一枚硬幣。然而,單是探測氣體密封在“火柴盒”內,實現長期穩定的工作性能,就花瞭團隊整整兩年時間。

  在馮驊看來,某些科學問題需要對一個科學目標進行長期的跟蹤與觀測,“極光計劃”使用的立方星恰好成為大型天文項目的一種彌補手段。值得註意的是,“極光計劃”探測器和衛星的日常運行均由學生負責。

  “極光計劃為我們的人才培養和交叉研究提供瞭很好的平臺。一個完整天文項目的經歷,能夠極大豐富同學們的學術訓練。此外,我們的立方星同時裝載瞭清華大學學生項目‘天格計劃’的首個探測器。”馮驊說。

  大項目裡的螺絲釘VS小項目裡的統帥

  如今,“極光計劃”團隊不大:帶頭人馮驊、一名工程師、一名博士後和三四名學生。團隊雖小,在技術支持和數據處理方面的分工運轉,也和空間中的立方星一樣有條不紊。

  來自清華大學物理系的龍翔雲,因興趣使然,大二即加入瞭馮驊參與指導的學生項目“天格計劃”,積極建設伽馬暴探測網絡。2019年,龍翔雲的本科畢業設計就轉向“極光計劃”,並繼續跟隨馮驊讀博。過去的一年多,龍翔雲為探測器編寫“日更”指令集,已經完成3000多次開關機指令。

  衛星日常運行設計,超出瞭團隊專業范圍;控制程序設計,對於物理系龍翔雲來說也屬跨界。“團隊雖小,五臟俱全。”龍翔雲說,大多數成員都是因興趣加入的,每周組會和靈活討論中,來自工程物理和物理等各院系的成員們發散討論、相互促進:“在項目推進中學以致用,我們都希望懂得更多一些。”

  這個特殊的寒假,留守實驗室的李紅、居傢的龍翔雲和其他成員都跟上進度,推動著“極光”系列的運行和發射計劃。

  “在大項目裡,學生可能隻當一枚螺絲釘就夠瞭,但在小項目裡,他們被逼著當統帥。需要兼顧項目運行的各個方面,他們不僅要熟悉自己的專業,還要瞭解學習其他相關學科的內容,這樣的訓練要求學生們不僅要專要細,還要有‘統帥’的能力。”馮驊告訴中青報·中青網記者。