科技日报记者 吴叶凡
6月26日，一个重磅发现吸引了全球天文爱好者的目光。中国科学院国家天文台发布消息，“天关”卫星成功捕捉到一个转瞬即逝的宇宙X射线信号，为揭示恒星死亡过程提供了全新视角。
“天关”卫星是一颗面向时域天文学的发现型X射线天文探测卫星。它是“宇宙焰火”的精准“捕手”，在软X射线波段开展高灵敏度实时动态巡天监测，能够系统性地发现宇宙高能暂现和剧变天体，探究其本质和物理过程。
“天关”卫星是国际首颗大视场X射线成像卫星。其总设计师张永合与国内外科研工作者一道，不断创新突破，挑战性能极限。日前，张永合接受科技日报记者采访，讲述“天关”卫星背后的攻关历程和团队成长故事。
破解观测难题
记者：请您介绍下“天关”卫星名字的由来。
张永合：我国很多空间科学卫星都有一个结合中华文化和现代科技的名字，比如墨子号、悟空号、夸父一号等。天关星是金牛座的一颗星。公元1054年，天关星附近出现了一个很亮的爆发源，当时北宋的司天监观测并记录下了这一事件，将这次爆发的超新星称为天关客星。
虽然我国最早记录了天关客星，但在现代天文研究中，对其的观测工作一度依靠国外的设备，例如钱德拉X射线天文台、哈勃空间望远镜等。“天关”卫星的出现打破了我国在这一领域的“缺席”局面。历经千年，我们中国人用自己研制的设备，重新“看到”了它，因此这颗卫星被命名为“天关”卫星。
记者：这如同一次穿越古今的“对视”。
张永合：是的，我们常说中国“天关”，一眼千年。这句话其实有两层含义。一方面，通过“天关”卫星，研究人员能够看到上亿年前的宇宙天体。另一方面，这也代表着经过了千年，我国天文观测能够再续辉煌。在古代，我国天文学家用眼睛来看，用笔墨来记录天关客星。今天，我们用高科技重新“审视”它。
记者：“天关”卫星的主要任务是什么？
张永合：“天关”卫星的主要任务，是在软X射线波段开展观测，发现宇宙中的暂现源和剧烈爆发天体。
暂现源是指在短时间内出现，然后很快消失的天体爆发事件。它来得快，去得也快，人们把它形象地称作“宇宙焰火”。古人把暂现天体称作“客星”，就是说和恒星相比，它如同“做客”一样，不久就“走了”。天关客星就是典型的暂现天体。历史记载，它的亮度很强，无论白天晚上都能被看到。但这样的亮度持续了23天，后面就一点点地暗淡直至彻底看不见。剧烈爆发天体则是指亮度在短时间内突然出现极大增长的天体。
记者：观测暂现源和剧烈爆发天体的目的是什么？
张永合：科学家们认为，暂现源和剧烈爆发天体产生于天体形成和演化的关键阶段，携带着宇宙、星系和恒星研究的关键信息。同时，它们在爆发时产生的能量非常大，能够把这些关键信息传播得更远、更久。通过观测工作，我们甚至能够接收到来自上百亿年前的信息。这些宇宙形成早期的信息非常珍贵，对于研究宇宙中的极端现象、探索宇宙演化奥秘具有重要意义。
“天关”卫星的另一个名字“爱因斯坦探针卫星”（Einstein Probe），也体现了研究的目的。爱因斯坦广义相对论中有关于黑洞、引力波的相关预言。而产生引力波时，可能伴随X射线辐射或其他种类的电磁辐射。如果有引力波事件发生，“天关”卫星可以调整观测角度，监测是否有与引力波相对应的电磁辐射信号，使研究人员能够进一步探索神秘的黑洞和引力波。
打造“全能冠军”
记者：对比国际上其他观测暂现源的设备，“天关”卫星有哪些特点？
张永合：相比国际同类卫星，“天关”卫星有三个突出特点：大视场、高灵敏、准定位。作为一颗发现型的卫星，它不仅要具有灵敏的“嗅觉”，还要具有宽阔的“眼界”，只有这样才能捕捉到一闪而过的“宇宙焰火”。在发现暂现源后，“天关”卫星还能将其精准定位，定位精度可以达到1角分。目前国际上能同时做到大视场和高灵敏的软X射线探测卫星，只有“天关”卫星。
此外，“天关”卫星能快速地与全球天文观测设备进行信息交互。它还搭载了两个焦距达1.6米的后随X射线望远镜，能看到更深远的宇宙空间。因此，我们也形容它为兼具“广巡视、精捕捉、快响应、深观测、速联网”优点的五项全能冠军。
记者：为了成为“五项全能冠军”，科研团队进行了哪些创新设计？
张永合：可以说“天关”卫星是一颗逐步成长的卫星。研制过程中，我们不断尝试，努力挑战卫星性能极限，做到不留遗憾。一个数据可以说明其性能的不断提升：在立项初期，“天关”卫星的设计重量仅有1吨，等到发射的时候它的重量已达1.4吨。
例如，为了实现“广巡视、精捕捉”，我们创新使用了“大眼”+“小眼”的设计。“大眼”是指12台软X射线望远镜（WXT）模块。通过运用“龙虾眼”微孔阵列聚焦成像技术，它不仅具有3600度的大视场，还实现了观测灵敏度和空间分辨率1至2个数量级的提升。“小眼”是指两台后随X射线望远镜（FXT）。它的视场虽然不到1度，但接收光子的面积更大，看得更清晰，是“天关”卫星的“千里眼”。
为了实现“大眼”“小眼”的快速切换、精准配合，我们在卫星上设计了全自主的探测、处理、定位、机动、信息分发响应流程，能够自主识别与分析暂现源，自动排列优先级，实时发布暂现源位置及光子信息并触发卫星机动；还配置了6个大力矩反作用飞轮，保证后随望远镜能够即时指向龙虾眼望远镜发现的暂现源，开展后随深度观测。
记者：什么是“龙虾眼”微孔阵列聚焦成像技术？
张永合：这与成像原理有关。简单来说，“天关”卫星的成像原理类似光学相机，要对“光”进行聚焦和处理。但难点在于，常规光学器件无法聚焦“天关”卫星收集的软X射线。科学家们想到了龙虾的眼睛。龙虾眼是反射式复眼，由上千个“小眼”（多个独立光学单元）组成，这样的结构带来了大视野和较强的聚光能力。
仿照龙虾的眼睛，载荷团队在软X射线望远镜上应用了微通道光学（MPO）成像技术。12个望远镜共配置了432个MPO镜片，每个MPO镜片上面分布着上百万个微小的方孔。X射线光子在进入小孔后，会在光滑的微通道内壁上发生全反射，并在背照式CMOS探测器上聚焦成像。这样，“天关”卫星就有了几亿个接收宇宙深处X射线光子的微孔。
记者：从图片上看，14只“眼睛”的排布也很有特点。
张永合：是的，“天关”卫星像一朵盛开的莲花，2台后随望远镜是“花蕊”，12台龙虾眼望远镜是“花瓣”。它们高低错落分布，凝视着不同天区。一块高耸的遮阳板将这朵“莲花”保护起来，有效阻止了太阳光线对仪器观测造成干扰。
值得一提的是，在最初的两版方案中，并没有这把“遮阳伞”。随着研究的深入，科学家们希望观测一些靠近太阳的目标。当时距离投产仅剩几个月。为了不让卫星带着科学家的遗憾上天，我们给卫星动了一次“大手术”，增加了遮阳板，同时采用了全桁架式光学平台，将12台龙虾眼望远镜倾斜起来，避开遮阳板的干扰，让12只“龙虾眼”目光炯炯地注视着宇宙深空。
记者：“天关”卫星在通讯方面进行了哪些创新？
张永合：卫星在天上并不是“孤军奋战”，而是通过联动地面设备和其他卫星，实现有效信息的共享，以达到更好的观测效果。为了让“天关”卫星快速与其他设备“说上话”，我们应用VHF与北斗短报文系统，建立起“天关”卫星实时通讯关系网，实现了与全球天文观测设备的一体化“互联”模式。
VHF是法国空间研究中心建设的一个地面VHF波段实时接收网络，我们可以借助它将“天关”卫星的观测结果快速发送给其他设备。北斗短报文系统则类似于互发短信的形式，仅需几个字节就能将重要目标的天文位置坐标发到“天关”卫星上。
后续，我们还计划进行软件升级优化，提升“天关”卫星和中法天文卫星等其他设备的通讯交流效率。
培育新生力量
记者：卫星是一个极为复杂的系统。“天关”卫星的研发、运行由怎样一群科研人员来支撑？
张永合：我们是一支比较年轻的团队，骨干成员年龄在三十岁左右。团队总规模近百人，包括卫星设计、载荷设计、计算机、机械、电子信息等专业的人才。研制空间科学卫星是一个不断获得新认识的过程，每当遇到问题，我们都会在一起探讨，群策群力解决问题。
我是控制专业出身。在卫星研制过程中，我不断向天文学家们学习天文知识，同时了解他们对卫星的需求。通过掌握相关知识，我能够在优化设计方案、提升卫星性能的同时，做好潜在风险的评估。
记者：空间科学卫星是国际航天领域科技制高点，您认为我们需要怎样的空间科学人才？
张永合：首先，我们需要具备全球视野的天文学家，他们能够提出关键的、前瞻性的科学问题，引领空间科学发展。其次，我们需要一批理解天文学的卫星系统工程师，他们属于跨界人才，让天文学和工程技术两个领域“手牵手”，我扮演的就是这一角色。空间科学人才还要能够与全球的科学家开展合作交流。
此外，我们还需要一批新生力量。空间科学卫星的研制时间很长，遇到的问题都很新。“天关”卫星从提出构思到发射经过了十余年，十年前参与研制的年轻人如今已步入中年。为了保证这一领域的长期、持续发展，我们必须壮大后备军，培养热爱空间科学、愿意长期专注这一领域的后备力量。
记者：您认为应该如何培养优秀的空间科学人才？
张永合：我觉得应当进一步丰富空间科学相关项目的数量和种类，增加经费投入，在实战中培养人才。如今我们国家对空间科学领域的投入不断增大，陆续开展了“夸父”“天宫”“慧眼”等大、中型项目，但是终究只有少数科研人员能参与其中。我们现在缺少的是有特色的小项目，比如立方星、微小卫星等。我们需要在这些小项目中历练人才。
此外，中国航天事业发展至今，取得了很多经验。但是空间科学的理念和传统航天存在一定区别，比如应用类的卫星往往在设计之初就定好了工程指标，而空间科学卫星的工程指标是随着认识的深入不断调整的。因此，我认为在培养人才的过程中，要注重区分两者不同，培育面向未来、面向国际的空间科学人才。
记者手记
采访张永合的过程中，一个问题一直萦绕在我脑海：一个控制专业出身的总设计师，是如何做到既懂工程设计又了解天文的？
采访快结束时，我忍不住好奇向张永合抛出了问题。没想到答案很简单：总设计师做的就是跨界工作，不断向科学家们学习是他的必修课。
张永合告诉记者，2004年，他工作的第二年，就参与到中法天文卫星的研制工作中。等到2013年“天关”卫星项目启动时，他不仅有了一定的天文知识储备，更重要的是学会了把科学家的需求转化为工程技术设计方案。
人类对宇宙的探索永无止境。对于科学家提出的研究需求，张永合说得最多的一句话是“不要让卫星带着科学家的遗憾上天”。卫星上天不容易，凝聚了无数人的心血，张永合总是希望让卫星性能高一点，再高一点。
空间科学卫星研制通常耗时数年，需要研究人员沉住气、坐得住。一名科研工作者，卫星立项的时候可能还是初出茅庐的年轻人，等到卫星上天，就已经成了经验丰富的中年人。
我想，正是这一代一代满怀热情的科研工作者，为人类打开了观察宇宙的那扇窗，让我们看到星河闪烁，听到宇宙呢喃。
