极光计划：经过近半世纪等待，这项探测终于重新开启……

北京时间5月11日，清华大学天文系教授冯骅课题组与合作者在《自然·天文》杂志发表文章，报道了清华大学主导的空间天文项目“极光计划”的最新成果：“极光计划”配备的X射线偏振探测器在卫星上经过1年的观测，探测到来自蟹状星云及脉冲星（中子星的一种）的软X射线偏振信号，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。

这一探测结果也标志着，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。

探测X射线偏振，到底在测什么？

“偏振”和光的颜色（波长）都是电磁波的基本属性之一。戴上偏振眼镜看3D电影，即是生活中常见的偏振原理应用。而X射线偏振，被视为具有重要科学价值的天体物理探针，是研究黑洞、中子星等高能天体的强有力工具。

“X射线也是电磁波的一种。我们希望在X射线波段看宇宙的3D场景——并不是像在影院一样看到3D图像，但确实是一个新的探测维度。”冯骅解释道，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。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。但利用X射线偏振测量，人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。

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。

然而，40多年过去了，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。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。

“极光计划”立方星和探测器结构示意图

X射线偏振技术，究竟难在哪？

技术转机出现在2001年。随着核探测技术的发展，意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度X射线偏振测量。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，清华大学冯骅教授带领团队开始对X射线偏振探测技术进行探索和改进，在国际合作的基础上历经多年技术积累，在实验室里研制出了高灵敏度低系统误差的X射线偏振仪。

在实验室研究阶段，团队的目标一直是“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器。这种新型X射线偏振探测器外形大致如一个火柴盒大小，传感器面积大概相当于一枚硬币。探测方案在初期就已经明晰：X射线通过铍窗进入探测器，与探测气体发生光电效应产生光电子。通过测量运动的光电子穿过气体留下的二维径迹，推断出入射X射线的偏振信息。

不过，这个火柴盒大小的探测器瓶颈之一，在于探测器封装。由于探测器是一个密闭环境，当纯净的探测气体充入后，探测器结构材料表面吸附的杂质气体会慢慢释放，使得探测气体纯度下降，从而引起性能衰减，严重时就会“烧毁”探测器。

“空间天文是一个系统工程，哪一个环节出问题，整个项目都会失败，这也是空间天文项目的难度所在。”冯骅说。

掌握“闭气型气体探测器的封装技术”的过程，是一个彻彻底底的学科交叉工程。超高真空技术方面的问题，团队请教过中国计量科学研究院和校内凝聚态物理方面的专家；结构材料方面的问题，参考航空航天材料标准，经过再三地测试对比，筛选出满足结构强度的、极低出气率的材料；探测器封装环境方面有差距，则搭建超净室、进行烘烤除气，想方设法降低杂质成分；还找到专属研究院进行气体提纯工作，将气体纯度从市面上常见的99.9％提高至99.999％……

至此，团队迈出重要一步：成品探测器实现了长寿命的要求，从最初只有约30分钟的工作寿命，到封好之后5－10年性能都不会改变。

“极光计划”发现了什么？

新的探测技术和方法需要进行飞行验证，为此，冯骅教授提出“极光计划”，希望利用微纳卫星平台在卫星轨道上直接验证X射线偏振探测技术，从而提高技术成熟度，为未来的空间天文探测所用。

2018年10月29日，“极光计划”探测器发射升空，经过1年的观测，探测到来自蟹状星云的X射线偏振信号，并发现了有关脉冲星的新天体物理现象，也就是当蟹状星云脉冲星自转周期突然变化之后，其X射线偏振也发生了显著的变化。

脉冲星是一种极其精确的“时钟”，但是经常会在某一个时间点发生一次突变，然后慢慢恢复，这种自转突变是一种有待研究的天文现象。2019年7月23日，蟹状星云脉冲星发生了一次自转突变，其偏振信号的变化被“极光计划”探测器捕捉，经过几十天它的偏振信号又慢慢恢复，这一新的发现有助于理解脉冲星也就是中子星的内部结构。

“极光计划”对蟹状星云进行观测的艺术表现图。

载人航天工程应用系统总设计师顾逸东院士表示：“极光计划采用商业化立方星成功测量了蟹状星云及脉冲星的偏振信号，获得脉冲星的X射线偏振随时间变化的重要成果，同时闯出了一条低成本开展空间天文研究的创新途径，对推动高校空间科学发展有重要意义。”

“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。在冯骅看来，某些科学问题需要对一个科学目标进行长期的跟踪与观测。

“极光计划”使用的立方星恰好成为了大型天文项目的一种弥补手段。“极光计划还为我们的人才培养和交叉研究提供了很好的平台。一个完整天文项目的经历，能够极大丰富同学们的学术训练。此外，我们的立方星同时装载了清华大学学生项目‘天格计划’的首个探测器。”冯骅说。

据悉，“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是我国领导的大型中欧合作项目，预计2027年发射。