清華大學馮驊團隊：仰望星空 做以“年”為量級的研究

《自然·天文》雜誌封面圖清華大學供圖

在最新一期的《自然·天文》雜誌封面，湛藍的宇宙中，一個小小的探測器正朝着一團巨大的、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》雜誌發表封面文章，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射線偏振探測器在衞星上經過1年的觀測，探測到來自蟹狀星雲及脈衝星（中子星的一種）的軟X射線偏振信號。

此外，團隊首次發現了脈衝星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化，説明在此過程中脈衝星磁場發生了變化。這一探測結果也標誌着，由於技術困難停滯了40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啓。

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啓

“在天文學領域裏，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。”馮驊説。

早在1968年，美國科學家就率先開展了天文X射線偏振探測，並在1971年發射的探空火箭上完成了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衞星上完成了首次精確測量。

然而，40多年過去了，科學家們不斷論證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。隨着核探測技術的發展，意大利科學家證實了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射線偏振測量帶來了“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啓高壓投入運行，成功探測到了空間X射線。2019年3月，探測器進入常規觀測，盯準了蟹狀星雲脈衝星。

脈衝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，蟹狀星雲脈衝星發生了一次自轉突變，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衝星也就是中子星的內部結構。

專注做以“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了不少收穫。

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射線偏振可以説知之甚少，但聽完老師的介紹，李紅立刻動心了：“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。”李紅説。

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，就花了團隊整整兩年時間。

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。值得注意的是，“極光計劃”探測器和衞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了很好的平台。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了清華大學學生項目‘天格計劃’的首個探測器。”馮驊説。

大項目裏的螺絲釘VS小項目裏的統帥

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，大二即加入了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，龍翔云為探測器編寫“日更”指令集，已經完成3000多次開關機指令。

衞星日常運行設計，超出了團隊專業範圍；控制程序設計，對於物理系龍翔雲來説也屬跨界。“團隊雖小，五臟俱全。”龍翔雲説，大多數成員都是因興趣加入的，每週組會和靈活討論中，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、居家的龍翔雲和其他成員都跟上進度，推動着“極光”系列的運行和發射計劃。

“在大項目裏，學生可能只當一枚螺絲釘就夠了，但在小項目裏，他們被逼着當統帥。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，還要了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。

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