5月11日，清華大學天文系教授馮驊課題組與合作者在《自然·天文》雜志發(fā)表封面文章，報道了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(wèi)星上經(jīng)過1年的觀測，探測到來自蟹狀星云及脈沖星（中子星的一種）的軟X射線偏振信號，并首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星自轉(zhuǎn)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(fā)生了變化。這一探測結(jié)果也標志著，由于技術(shù)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。

“極光計劃”立方星和探測器結(jié)構(gòu)示意圖

作為一門觀測驅(qū)動的科學，天文學的發(fā)展在很大程度上依賴新的觀測方法和手段。新的觀測方法和手段被稱為天文觀測的新窗口。X射線是電磁波的一種，是研究黑洞、中子星等天體的最主要媒介。偏振是電磁波的基本屬性之一，其在生活中的應用包括3D電影和液晶顯示。而X射線偏振是具有重要科學價值的獨特的天體物理探針，是研究黑洞、中子星等高能天體的強有力工具。1968年，美國科學家率先開展了天文X射線偏振探測，于1971年在一次探空火箭實驗中見到了成功的希望，并在1975年發(fā)射的OSO-8衛(wèi)星上完成了第一次精確測量，這次測量發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云的X射線輻射具有高度線偏振，起源于同步輻射。然而，由于上一代技術(shù)的局限性，其探測效率和靈敏度低下，天文軟X射線偏振探測在這次實驗之后便陷入了停滯。

2001年，隨著核探測技術(shù)的發(fā)展，意大利科學家證實了一種新型粒子探測技術(shù)可用于高靈敏度X射線偏振測量。2009年，清華大學馮驊教授帶領(lǐng)團隊開始對X射線偏振探測技術(shù)進行探索和改進，在國際合作的基礎(chǔ)上歷經(jīng)多年技術(shù)積累，在實驗室里研制出了高靈敏度低系統(tǒng)誤差的X射線偏振儀。這個火柴盒大小的探測器瓶頸之一就在于探測器封裝，其氣體純度要求為99.999%以上。但是探測器腔體材料會吸附雜質(zhì)氣體，當純凈的氣體充入后，雜質(zhì)會慢慢擴散，使得純度下降，導致探測器最初的工作壽命只有約30分鐘。馮驊教授團隊成功解決了這個問題，使得探測器封好之后5-10年性能都不會改變?！翱臻g天文是一個系統(tǒng)工程，哪一個環(huán)節(jié)出問題，整個項目都會失敗，這也是空間天文項目的難度所在?！瘪T驊說。

蟹狀星云的X射線圖和

探測器直接測到的電子徑跡圖像

新的探測技術(shù)和方法需要進行飛行驗證，為此，馮驊教授提出了“極光計劃”，希望利用微納衛(wèi)星平臺在衛(wèi)星軌道上直接驗證X射線偏振探測技術(shù)，從而提高技術(shù)成熟度，為未來的空間天文探測所用。2018年10月29日，“極光計劃”探測器發(fā)射升空，經(jīng)過1年的觀測，探測到來自蟹狀星云的X射線偏振信號，并發(fā)現(xiàn)了有關(guān)脈沖星的新天體物理現(xiàn)象，也就是當蟹狀星云脈沖星自轉(zhuǎn)周期突然變化之后，其X射線偏振也發(fā)生了顯著的變化。

脈沖星是一種極其精確的“時鐘”，但是經(jīng)常會在某一個時間點發(fā)生一次突變，然后慢慢恢復，這種自轉(zhuǎn)突變是一種有待研究的天文現(xiàn)象。2019年7月23日，蟹狀星云脈沖星發(fā)生了一次自轉(zhuǎn)突變，其偏振信號的變化被“極光計劃”探測器捕捉，經(jīng)過幾十天它的偏振信號又慢慢恢復，這一新的發(fā)現(xiàn)有助于理解脈沖星也就是中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

載人航天工程應用系統(tǒng)總設計師顧逸東院士表示：“極光計劃采用商業(yè)化立方星成功測量了蟹狀星云及脈沖星的偏振信號，獲得脈沖星的X射線偏振隨時間變化的重要成果，同時闖出了一條低成本開展空間天文研究的創(chuàng)新途徑，對推動高?？臻g科學發(fā)展有重要意義?！?/span>

“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(guān)于蟹狀星云脈沖星自轉(zhuǎn)變化物理過程的意外發(fā)現(xiàn)，也說明了這個新窗口的重要性。

據(jù)悉，“極光計劃”所采取的技術(shù)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(lǐng)導的大型中歐合作項目，預計2027年發(fā)射。作為eXTP首席科學家，中科院高能所粒子天體物理中心主任張雙南研究員說：“極光計劃發(fā)展了最先進的X射線偏振測量技術(shù)，實現(xiàn)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(jié)果的正確性，而且還很有可能發(fā)現(xiàn)了一個極具科學價值的新現(xiàn)象，這有助于理解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及自轉(zhuǎn)變化如何影響其外部磁場。極光計劃的成功表明，目前正在研制和計劃中的X射線偏振測量空間項目的科學潛力巨大，其結(jié)果也對未來新項目的科學目標確定和技術(shù)方案選擇提供了新的思路?！?/span>

清華大學天文學科創(chuàng)始人李惕碚院士表示，“清華天文從起步之日起，空間天文就是一個重要的、極具特色的發(fā)展方向。‘極光計劃’是清華大學主導的第一個空間天文項目，是理工結(jié)合的成效?！薄皹O光計劃”負責人馮驊是清華大學天文系教授、工物系兼職教授，該項目的成功實施得益于核技術(shù)在天文探測中的應用，體現(xiàn)了理工結(jié)合、學科交叉的特色。

馮驊是論文的第一作者和通訊作者?！皹O光計劃”的合作單位還包括意大利國家核物理研究院（INFN-Pisa）、意大利國家天體物理研究院（INAF/IAPS-Rome）、中科院高能物理研究所、北京大學、寧波工程學院、北方夜視和天儀研究院。同時，“極光計劃”探測器和衛(wèi)星的日常運行均由學生負責，是學生培養(yǎng)的重要平臺?！皹O光計劃”搭載在天儀研究院的“銅川一號”立方星上，此星還裝載了一個學生項目——“天格計劃”，希望利用立方星組網(wǎng)實現(xiàn)宇宙伽馬射線暴探測。“我們期待未來清華在空間天文上做出更精彩的工作。”馮驊說。