窗口40餘年後重啓！清華團隊探測到來自蟹狀星雲信號

原標題：窗口40餘年後重啓！清華團隊探測到來自蟹狀星雲信號

至和，是宋仁宗使用的第八個年號。

改元，是因爲上一年天有異象，期望避兇化吉。但至和元年，異象再生。《宋史》記載，“自至和元年五月，客星晨出東方。”

後來，這顆“客星”爆炸，七八百年後，人類又多次觀測到客星的殘骸，因其形似甲殼類動物，被稱爲“蟹狀星雲”。

這個位於金牛座東北區域，距離地球約6500光年的“蟹狀星雲”，中心區域是一顆脈衝星，高速旋轉，不斷噴射電磁脈衝信號、電場風和帶電粒子，一直受到天文學家的高度關注。

2018年10月，清華大學一位叫做馮驊的年輕教授和他的學生，也把目光對準了“蟹狀星雲”。

堅持不懈地探測，終於結出碩果——馮驊團隊成功探測到“來自蟹狀星雲及脈衝星的軟X射線偏振信號”，一個停滯了40餘年的天文觀測新窗口，在中國科學家的帶領下成功重啓。

3D宇宙

藍色的宇宙中，一團白色的星雲，旋轉、噴射，一顆小小的衛星，正向着星雲前進……這是今年5月《自然·天文》雜誌的封面，講述的是一位中國科學家及其團隊的成果。

馮驊來自浙江，1997年考入清華大學，出於對物理的喜愛，選擇工程物理專業。雖然當時，他對工程物理學什麼，還有些懵懂，但四年的本科學習讓他受益匪淺。“基礎物理研究需要工程的支持，越是對未知的領域的探索，對工程的要求越極端。”馮驊回憶，“可能正因爲當時受到了兩方面的訓練，我才走進了空間天文儀器的領域。”

四年光陰，轉瞬即逝。本科畢業，馮驊繼續留校深造，並拿下核科學與技術博士學位。結束四年國外科研工作，2008年11月，馮驊回到清華大學工程物理系任教。2019年4月，清華大學成立天文系，作爲天文系前身清華大學天體物理中心成立之初的博士生，馮驊加盟天文系，同時任工程物理系兼職教授。

“天文繫好不好與望遠鏡的口徑成正比。”馮驊曾如此開玩笑，在他看來，天文學是一門觀測驅動的科學，其發展在很大程度上依賴於新的觀測方法和手段，即天文觀測的新窗口。

“如果把天文學設想爲一列火車，望遠鏡和探測器就是車頭，”馮驊打了個比方，“天文學家一方面把望遠鏡做得更大更靈敏，讓火車跑得更快，同時還在思考如何修建新的鐵路，開鑿新的隧道，讓火車可以領略不同的風景。”

“X射線偏振觀測”，就是馮驊想要尋找的“新鐵路”。

天體物理，太過深奧，馮驊努力說得淺顯。“看過3D電影吧。” 馮驊說，看3D電影，要戴個墨鏡，這墨鏡就是一個偏振的濾光片，可以幫助觀衆看到3D的圖像。“X射線偏振觀測”，就是要在X射線波段觀看宇宙裏新的維度，“這對高能天體物理研究意義重大。”馮驊說，“我們感興趣的黑洞、中子星這類極端天體的光學輻射很弱，卻是很強烈的X射線輻射體，利用X射線偏振測量，可以獲得高能輻射區域磁場方位、天體的幾何對稱性，從而進一步理解與這類極端天體密切相關的天文現象的物理過程發生機制。”

世界各國的科學家們一直在尋找這條“新鐵路”，40年前，曾經成功過一次。1975年，美國科學家曾通過搭載在OSO-8衛星上的探測器，首次精確測量並發現蟹狀星雲的X射線輻射具有高度線偏振。

“那是第一次實驗，也是此後40餘年間最後一次實驗。” 馮驊說，重啓天文觀測新窗口，成爲他追逐的目標。

極化的光線

科學家第一次探測到蟹狀星雲X射線偏振時，馮驊還沒有出生。

40餘年停滯，探測靈敏度不足，被認爲是X射線偏振技術的主要瓶頸之一。2001年，意大利科學家證實了一種軟X射線偏振測量是“近乎理想的探測技術”，被視爲這一領域的“轉機”。此時，馮驊本科畢業，進入最旺盛的科研狀態。

一切似有天意。

2009年，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。

越來越多的年輕人加入其中。

2010年初，尚在清華工程物理系讀大三的李紅，向老師馮驊請教問題，雖然當時對X射線偏振探測知之甚少，但和馮驊一聊，她立刻發現，“這個方向具有重要前景，而且也能用到本科所學的工程物理知識。”

以本科畢業設計爲起點，李紅跟隨馮驊攻讀博士學位，全身心投入到X射線偏振測量方法和儀器的研究中。

這對師生的目標很明確，要做出一款能滿足空間應用需求的長壽命、高性能X射線偏振探測器。根據他們的設想，在一個火柴盒大小的傳感器中，X射線通過鈹窗進入，與探測氣體發生光電效應產生光電子，之後，通過測量光電子穿過氣體留下的二維徑跡，即可推斷出X射線的偏振信息。

原理雖然明晰，但實踐頗爲周折。單是把探測氣體密封在“火柴盒”內，使其長期穩定工作，就花了兩年多的時間。

實驗初期，探測器總是在短時間內被燒壞，核心部件因高壓放電被擊穿，找不到原因，李紅很着急，馮驊倒是沒有過多的催促，扛得住失敗，耐得住寂寞，是成功的必由之路。

反覆測試之後，團隊終於發現氣體純度是“罪魁禍首”。爲了攻克難題，他們多方取經——

超高真空技術方面的問題，請教中國計量科學研究院和清華凝聚態物理方面的專家；

結構材料方面，參考航空航天材料標準；

探測器封裝環境方面有差距，就搭建超淨室、烘烤除氣，想方設法降低雜質成分；

爲了將氣體純度從99.9%提高至99.999%，他們找到了專門做高純氣體的研究所，但因爲所需量太少，研究所開始並不願意做，幾經溝通，才簽署協議；

……

屢戰屢敗，屢敗屢戰。

探測器終於迎來“質變”，壽命從最初的半個小時，延長至5到10年。

2017年，馮驊團隊打造的高靈敏度、低系統誤差的X射線偏振探測器終於在實驗室研製成功，並且通過了一系列空間環境模擬試驗檢驗。

2018年10月，馮驊團隊啓動“極光計劃”，這也是清華大學主導的首個空間天文項目。

“極光計劃”（PolarLight）這個名字，縮寫自輕型偏振儀（Polarimeter Light），也源於“偏振”一詞，即“極化的光線”。

以“年”爲單位的科研

天體物理的研究，是一項以“年”爲單位的科研。而X射線偏振探測器的研製，足足花了十年。

2018年10月29日，甘肅，酒泉。“銅川一號”立方星升空，搭載着“極光計劃”探測器順利來到近地軌道，經過多輪調試，當年12月18日，探測器開啓高壓投入運行。

自此開始，馮驊團隊的另一位博士生龍翔雲，每天都有一項雷打不動的任務，爲探測器編寫“日更”指令集。至今，龍翔雲仍在堅持，已完成3000多次開關機指令。

“我們以蟹狀星雲脈衝星的位置信息爲基礎，結合衛星軌道信息，目標源、衛星和地球的相對位置，形成開關機、轉向等指令，保證探測器避開高通量高能粒子的損傷，星敏感器一直指向星空。”龍翔雲介紹着，很難想象，這個年輕人是靠自學編程，完成的控制程序設計。

去年7月，探測器進入常規觀測，每隔幾天，觀測數據會由衛星公司傳輸給團隊，再由研究人員處理數據。

7月下旬，李紅處理數據時發現，蟹狀星雲自旋突變的偏振度變低，她以爲是探測器出了問題，趕緊嚮導師彙報。馮驊沒急着判斷，提醒李紅，蟹狀星雲的脈衝星在前幾天出現了一次自旋突變，“異常”會不會與此有關。

似“時鐘”般運轉精確的脈衝星常會在某一個時間點發生一次自旋週期突變，然後慢慢恢復，這種自旋突變是一種有待研究的天文現象。經過更爲深入的數據分析，團隊確認，“極光計劃”探測到偏振信號變化時間與蟹狀星雲脈衝星的自旋突變時間——7月23日吻合，並且通過持續監測，在幾十天后，其偏振信號又恢復了。

在偏振計算之外，團隊還需摺疊出蟹狀星雲的脈衝相位。龍翔雲說：“蟹狀星雲的脈衝約爲33毫秒一個週期，一次脈衝獲得的信號非常少，爲了提高信噪比，我們需要把幾個月內獲得的所有觀測數據按脈衝週期疊加後得出結論。”

龍翔雲記得，當時試了很多方法但並沒有看到脈衝，嘗試了一兩週之後，他甚至開始懷疑是不是數據有問題。馮驊鼓勵他，別輕言放棄，再檢查檢查程序……

終於，龍翔雲找到了問題，完成了疊加，預想中的脈衝出現了。

更大的驚喜來了。“極光計劃”從蟹狀星雲裏面探測到的偏振信號，與40多年前OSO-8衛星的偏振儀探測到的信號一致。

不止於此。“這還是首次探測到脈衝星自轉突變和恢復過程中的軟X射線偏振信號變化，說明在此過程中脈衝星磁場發生了變化。” 馮驊興奮地說，科學家有望通過觀測證據進一步理解“脈衝星如何輻射”“其X線輻射從哪裏來”等未解之謎。

停滯了40餘年的天文觀測新窗口，就此重啓。

更大的願景，也自此展開。“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，這個由中國領導的大型中歐合作項目，預計2027年發射。蟹狀星雲脈衝星之外，X射線探測器對人類發現的第一個宇宙X射線源“天蠍座X-1”也有一些數據積累，並將納入下一步工作計劃。

天格“織網”

令馮驊興奮的，不僅僅是科研成果，還有“極光計劃”的育人功能。“‘極光計劃’從研製與標定、運行與觀測、數據分析與發表的週期來看，恰好適合培養一名博士生。” 馮驊說。

除了“極光計劃”，“銅川一號”立方星上，還裝載着“天格計劃”首個探測器，這是一個完完全全的學生項目。

2016年2月11日，“人類首次直接探測到了引力波”的消息震動世界。清華大學工程物理系學生溫家星也很是興奮，他與馮驊和導師曾鳴的一次聊天，催生出一個大膽的計劃——能否利用若干小衛星搭載伽馬射線探測器，在距離地面約600千米的不同軌道形成一個全天覆蓋的伽馬射線暴探測網絡，捕捉引力波對應的伽馬射暴，進而完成定位。

在老師的支持下，2016年10月，溫家星提出“引力波暴電磁對應體探測網”，併發起了“天格計劃”學生興趣團隊，吸引了來自清華大學工程物理、物理、航院、電子和機械等各個院系的35名同學參與。

看起來很酷的項目，其實是不分晝夜的奮鬥，重複枯燥的實驗和調試。但興趣總能激發最大的能量。2016年10月至2017年4月，“天格計劃”學生團隊組織了上百次學術討論，完成了科學論證，撰寫兩萬餘字的科學建議書……

首星臨近發射，精心打造的探測器雖然經過全套空間環境測試，但在衛星總裝時遇到了意外損毀。時間緊迫，是放棄發射，還是冒着風險加緊組裝測試下一個探測器？

不能放棄！“天格計劃”的成員幾乎72小時不眠不休測試，最終成功完成任務。

2018年10月29日8時43分，“天格計劃”的首顆探測器發射入軌。

“發衛星是國家的事，你們大學生還是歇着吧……”科研過程中，曾有人質疑，溫家星他們並沒有沮喪，正是這份堅持，讓他們仰望星空並迎來收穫。去年6月， “天格計劃”學生團隊已經獲取了“天格計劃”首個探測器的第一軌科學數據，“二號星和三號星的探測器都已研製出爐，並已完成性能標定，預計今年8月後擇機發射。” 溫家星說。

在“天格計劃”中，馮驊的嚴謹，令溫家星印象深刻，馮驊對寫文章要求很嚴，甚至“數字和單位寫法”也會要求，實驗相關的每個數據必須給出誤差，“誤差怎麼給”“有效數字怎麼得出”“誤差給物理目標帶來多大不確定性”都必須分析得明明白白，“作爲學生，我們最開始不注意這些，但馮老師要求很嚴，確保我們每一步都走得特別紮實。”

發現和培養年輕學生，的確是馮驊最愛的工作。雖然科研工作很忙，但馮驊還會經常寫科普文章，傳播天體物理知識。他還利用假期，奔走於全國各地的多所中學進行科普講座，以喚起年輕學生仰望星空的夢想。

點開清華大學官網馮驊的個人主頁，頁面上，有一幅圖格外醒目——

夜空如幕，繁星璀璨，圈圈星軌，好似通向宇宙祕境的無垠隧道。

夜幕之下，清華主樓，燈光不滅……

一個個美麗的夢想，正在變成現實！