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清华大学冯骅团队：仰望星空 做以“年”为量级的研究

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清华大学冯骅团队：仰望星空 做以“年”为量级的研究
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《自然·天文》杂志封面图清华大学供图
在最新一期的《自然·天文》杂志封面 ， 湛蓝的宇宙中 ， 一个小小的探测器正朝着一团巨大的、银白色的星云前进 。
这是清华大学天文系教授冯骅课题组与合作者的研究成果 。 5月11日 ， 《自然·天文》杂志发表封面文章 ， 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 。
此外 ， 团队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 。
而在这背后 ， 是一个年轻教授和几个学生一直进行的 ， 以“年”为量级的研究 。
停滞40年的天文探测实验重启
“在天文学领域里 ， 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 ， 对高能天体物理而言意义重大 。 ”冯骅说 。
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 。
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 ， 回到清华大学任教不久的冯骅开始带领团队 ， 在国际合作的基础上 ， 对X射线偏振探测技术进行探索和改进 。
2018年10月29日 ， 清华大学主导的空间天文项目“极光计划”探测器发射升空 。 同年12月18日 ， 极光计划的探测器开启高压投入运行 ， 成功探测到了空间X射线 。 2019年3月 ， 探测器进入常规观测 ， 盯准了蟹状星云脉冲星 。
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 。
专注做以“年”为量级的研究
作为一门观测驱动的科学 ， 天文学的发展在很大程度上依赖新的观测方法和手段 。 以“年”为单位的长期观测 ， 让冯骅和他的学生们得到了不少收获 。
2010年年初 ， 第一次向冯骅请教的清华大学工程物理系学生李红 ， 对X射线偏振可以说知之甚少 ， 但听完老师的介绍 ， 李红立刻动心了：“一方面对研究方向很感兴趣；另一方面也发现本科阶段关于核科学核技术方面的知识积累 ， 可以应用到天文研究领域 。 ”
以本科毕业设计为起点 ， 李红跟随冯骅攻读博士学位 ， 全心投入到偏振测量方法和仪器研究中 。 “在X射线偏振探测发展的停滞阶段 ， 又恰逢新技术的出现 ， 我们更希望做前沿性工作 。 ”李红说 。
在实验室研究阶段 ， 团队的目标就一直是“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 。 然而 ， 单是探测气体密封在“火柴盒”内 ， 实现长期稳定的工作性能 ， 就花了团队整整两年时间 。
【清华大学冯骅团队：仰望星空 做以“年”为量级的研究】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大型天文项目的一种弥补手段 。 值得注意的是 ， “极光计划”探测器和卫星的日常运行均由学生负责 。
“极光计划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 。
大项目里的螺丝钉VS小项目里的统帅
如今 ， “极光计划”团队不大：带头人冯骅、一名工程师、一名博士后和三四名学生 。 团队虽小 ， 在技术支持和数据处理方面的分工运转 ， 也和空间中的立方星一样有条不紊 。
来自清华大学物理系的龙翔云 ， 因兴趣使然 ， 大二即加入了冯骅参与指导的学生项目“天格计划” ， 积极建设伽马暴探测网络 。 2019年 ， 龙翔云的本科毕业设计就转向“极光计划” ， 并继续跟随冯骅读博 。 过去的一年多 ， 龙翔云为探测器编写“日更”指令集 ， 已经完成3000多次开关机指令 。
卫星日常运行设计 ， 超出了团队专业范围；控制程序设计 ， 对于物理系龙翔云来说也属跨界 。 “团队虽小 ， 五脏俱全 。 ”龙翔云说 ， 大多数成员都是因兴趣加入的 ， 每周组会和灵活讨论中 ， 来自工程物理和物理等各院系的成员们发散讨论、相互促进：“在项目推进中学以致用 ， 我们都希望懂得更多一些 。 ”
这个特殊的寒假 ， 留守实验室的李红、居家的龙翔云和其他成员都跟上进度 ， 推动着“极光”系列的运行和发射计划 。
“在大项目里 ， 学生可能只当一枚螺丝钉就够了 ， 但在小项目里 ， 他们被逼着当统帅 。 需要兼顾项目运行的各个方面 ， 他们不仅要熟悉自己的专业 ， 还要了解学习其他相关学科的内容 ， 这样的训练要求学生们不仅要专要细 ， 还要有‘统帅’的能力 。 ”冯骅告诉中青报·中青网采访人员 。
中青报·中青网采访人员叶雨婷来源：中国青年报（2020年05月18日05版）


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