圖為張臣正在展示“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡鏡片,。 受訪者供圖
宇宙中不僅有長期存在的星辰,，還有各類突如其來的爆發(fā)現(xiàn)象,。這些爆發(fā)被稱為暫現(xiàn)源,，也被形象地稱作“宇宙焰火”,。它們發(fā)生于天體演化的關(guān)鍵階段，攜帶著宇宙,、星系和恒星研究的關(guān)鍵信息,。中國科學(xué)院主導(dǎo)研制的“天關(guān)”衛(wèi)星,，即能夠捕捉這些轉(zhuǎn)瞬即逝的“宇宙焰火”。
2月19日,，一項(xiàng)新成果作為歐洲航天局首篇基于“天關(guān)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)主導(dǎo)的論文，在《天體物理雜志快報(bào)》上正式發(fā)布,。自2024年1月9日發(fā)射以來,，“天關(guān)”衛(wèi)星已捕捉到多例可能的新類型暫現(xiàn)源?！疤礻P(guān)”衛(wèi)星卓越的“宇宙焰火”捕捉能力,，得益于其核心載荷——寬視場X射線望遠(yuǎn)鏡。它也被稱為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡,。
“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家助理,、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員張臣是“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。他自豪地表示,，迄今為止,，國際上還沒有能與我國“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡相媲美的同類型載荷甚至樣機(jī)。
“半路出家”開始研究
生物學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)龍蝦眼睛結(jié)構(gòu)特殊,，其由許多方孔形的微型管道構(gòu)成,。這些管道壁光滑且指向同一球心，使得來自不同方向的光線在小方孔內(nèi)反射并匯聚到龍蝦的視網(wǎng)膜上,。1979年,，美國科學(xué)家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠(yuǎn)鏡,，讓X射線通過反射聚焦成像,。然而，由于技術(shù)難度極高,，這一設(shè)想在提出后很長時(shí)間都未能實(shí)現(xiàn),。
2000年以來，時(shí)域天文學(xué)逐漸成為國際天文學(xué)界的前沿領(lǐng)域,，而采用“龍蝦眼”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的X射線望遠(yuǎn)鏡被視為推動(dòng)這一領(lǐng)域的先進(jìn)工具,。
談到如何步入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研究，張臣笑稱自己是“半路出家”,。
“上本科時(shí),，我學(xué)習(xí)的是核技術(shù)，而到了研究生階段,，我開始從事探測器的研究,，有幸跟隨張雙南老師進(jìn)行高能天文設(shè)備研制的相關(guān)工作。當(dāng)時(shí)張雙南老師認(rèn)為,，我國需要一個(gè)兼具超大視野和高靈敏度的‘龍蝦眼’望遠(yuǎn)鏡,，這將極大促進(jìn)我國在時(shí)域天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,。”張臣說,，“在老師的建議下,，2009年，我抱著試一試的心態(tài)去做這個(gè)課題,，‘半路出家’開始研究,。”
張臣有在校期間在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作的經(jīng)驗(yàn),，擁有數(shù)據(jù)分析等方面的基礎(chǔ),，這使他能夠快速投入“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。
然而,，要研制“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡并非易事,。在研究之初，國內(nèi)缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可供參考,?！伴喿x論文是一回事，實(shí)際操作起來完全是另一回事,。特別是技術(shù)類文獻(xiàn),，它們往往不會(huì)詳細(xì)描述具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，操作過程中充滿了‘坑’,，需要自己親自去跳,，然后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再去嘗試,?！睆埑颊f。
2010年,，張臣進(jìn)入中國科學(xué)院國家天文臺(tái),，之后前往英國進(jìn)行了為期兩個(gè)月的望遠(yuǎn)鏡制造系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)?；貒?，他逐步展開了“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的研制工作。但很快,，張臣便發(fā)現(xiàn)國外已有的技術(shù)路線存在缺陷,。于是，他和研發(fā)團(tuán)隊(duì)踏上了探索自主研發(fā)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡技術(shù)之路,。
一年完成從生產(chǎn)到測試
望遠(yuǎn)鏡研發(fā)的起點(diǎn)是頂層設(shè)計(jì),。張臣介紹，在頂層設(shè)計(jì)階段,，他和團(tuán)隊(duì)嚴(yán)格把控,，為后續(xù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基石,。
然而，頂層設(shè)計(jì)僅僅是破解難題的第一步,，落實(shí)才是關(guān)鍵,。在張臣看來，整個(gè)研究項(xiàng)目最為艱巨的任務(wù),，是要在短短一年內(nèi)完成“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡12個(gè)鏡頭從生產(chǎn),、組裝到測試的全部工作，時(shí)間緊迫,、任務(wù)艱巨,。
鏡片是望遠(yuǎn)鏡的核心組件,，其制造至關(guān)重要,。在鏡片制造方面，張臣團(tuán)隊(duì)與北方夜視技術(shù)股份有限公司展開了深入合作,。雙方攜手攻克了成像光斑不圓等一系列技術(shù)難題,。
組裝鏡頭又是一大挑戰(zhàn)?！啊埼r眼’望遠(yuǎn)鏡的鏡片極為柔軟,，輕輕一拿就會(huì)變形。然而,，鏡頭裝配的精度要求極高,，在垂直方向上，鏡片間的誤差必須控制在一微米以內(nèi),。此外,，還需充分考慮火箭發(fā)射時(shí)強(qiáng)烈震動(dòng)對鏡片穩(wěn)固性的影響?！睆埑颊f,。
當(dāng)時(shí)，“天關(guān)”衛(wèi)星首席科學(xué)家袁為民對“龍蝦眼”的研發(fā)深表擔(dān)憂,。他認(rèn)為,，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，要確保儀器性能達(dá)到國際頂尖水平,，并精準(zhǔn)滿足科學(xué)需求,，并不容易。對于張臣而言,，研發(fā)“龍蝦眼”也無疑是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn),。
研制任務(wù)時(shí)間緊、任務(wù)重,，張臣沒有太多試錯(cuò)機(jī)會(huì),?！盀榱思铀傺邪l(fā)進(jìn)程，我會(huì)盡量在初期就構(gòu)思出各種可能的路徑和方法,，然后在實(shí)踐中嘗試不同組合,，以期盡快找到最優(yōu)方案?！睆埑颊f,。
以鏡頭組裝為例，鏡片變形是一個(gè)關(guān)鍵問題,，而變形往往源于膠接過程中膠水的收縮,。由于鏡頭被設(shè)計(jì)成4個(gè)部分，在摸索鏡片安裝工藝過程中,，張臣巧妙地對每個(gè)部分采用不同的膠接策略以提高工藝驗(yàn)證效率,。
張臣和團(tuán)隊(duì)還搭建了一整套“龍蝦眼”光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)化裝調(diào)設(shè)備。該設(shè)備采用特殊設(shè)計(jì)的夾具和精密的機(jī)械手進(jìn)行裝配,，并使用應(yīng)力較小的膠水對鏡片進(jìn)行固定,。在膠水凝固過程中，團(tuán)隊(duì)采取了保護(hù)措施,，確保鏡片穩(wěn)固且不變形,。同時(shí)，每個(gè)鏡片的位置和指向都可進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié),，以保證整個(gè)光學(xué)組件的一致性,。
張臣介紹，無論是鏡片生產(chǎn)工藝,、鏡頭設(shè)計(jì)加工還是裝配流程,，團(tuán)隊(duì)都采用了與國外不同的創(chuàng)新路徑，并取得了顯著成果,。
追求精度效益無止境
“天關(guān)”衛(wèi)星外形猶如一朵綻放的“花朵”,，其搭載的12個(gè)“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡仿佛12片“花瓣”。在宇宙中,，這朵“花朵”靜靜地等候著于沉寂黑暗中偶爾綻放的“宇宙焰火”,。
張臣介紹，常規(guī)的X射線聚焦望遠(yuǎn)鏡的視場大概是地球上看到的月亮那么大,，而“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡的視場可達(dá)到約1.5萬個(gè)月亮那么大,，相當(dāng)于全天面積的1/12。這意味著“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在國際上首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)大視場全天監(jiān)測和X射線聚焦成像,，可高效監(jiān)測天體的X射線變化,。
“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)是世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡之一。然而，在回顧設(shè)計(jì),、研發(fā),、發(fā)射等全過程后，張臣認(rèn)為“龍蝦眼”望遠(yuǎn)鏡在諸多方面可以做得更好,，包括鏡片光學(xué)質(zhì)量,、鏡頭的裝配水平，以及整體設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)等,。
例如,，在光學(xué)方面，張臣認(rèn)為縮小光斑尺寸,，可進(jìn)一步提高望遠(yuǎn)鏡的靈敏度,。同時(shí)，定位精度也存在優(yōu)化空間,?！叭裟軐⒍ㄎ痪忍嵘翈资畟€(gè)角秒，甚至20個(gè)角秒以內(nèi),，將極大提升天文觀測效率,?！睆埑颊f,，在天體密集區(qū)域，高精度定位能讓科學(xué)家在繁星中迅速鎖定觀測目標(biāo),。
張臣表示,，“天關(guān)”項(xiàng)目已經(jīng)獲得國際天文界高度評價(jià)。他希望“天關(guān)”項(xiàng)目在未來兩年內(nèi)能夠取得更多重大科學(xué)成果,。
“科學(xué)界有這么一句話,，‘多說無益，給我數(shù)據(jù)’,。對于科學(xué)裝備和儀器研發(fā)人員而言,，不能光說不練，要拿出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說話,，好的觀測結(jié)果才是裝備儀器研發(fā)人員的獎(jiǎng)牌,。”他說,。（記者 宗詩涵）
編輯：周大為
