清华用商业小卫星填补留白40多年的领域 登自然子刊

（原标题：清华用商业小卫星填补留白40多年的领域，登上自然子刊封面）

1975年，人类历史上第一颗带着X射线偏振探测任务的卫星由NASA发射升空，对蟹状星云的探测结果令人振奋。没想到，“出道即颠峰”，该领域陷入长期的停滞和等待。“那是第一次，也是最后一次。” 清华大学天文系教授冯骅曾在接受澎湃新闻专访时惋惜地说道。

成像、能量、时变，宇宙源X射线的各类研究欣欣向荣，唯独偏振，作为光子基本属性之一，却似被遗忘了。

5月11日，冯骅课题组与合作者报告了“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。

该成果在《自然·天文》（Nature Astronomy）上以封面论文的形式发表，标志着因技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。

《自然·天文》当期封面图片

这篇封面论文注定不会重演“出道即颠峰”的命运，而是大乐章的序曲。“极光计划”所采取的技术将被应用到中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。

另一方面，中国天文前沿研究与低成本商业立方星的相遇也值得关注。“极光计划”由清华大学担任科学总体，商业卫星公司天仪研究院作为卫星工程总体。

被“遗忘”的偏振

偏振是光子的基本属性之一，偏振滤片像一块特定方向的栅栏，只允许相应偏振方向的光子通过。观看3D电影时的眼镜就运用了这样的原理，选择一部分光进入左眼，另一部分光进入右眼，形成3D图像。

相比起我们熟悉的可见光，X射线的波长非常短。虽然人类肉眼看不到，但它在天文学上很有用。宇宙中有一些天体（如黑洞、中子星等）几乎不发出可见光，却能发出“明亮”的X射线，并透露有关天体磁场、天体几何形状的重要信息。

冯骅介绍道，从上世纪60年代起，人类可以通过X射线望远镜探测X射线的能量、时变等信息，却迟迟无法解决X射线偏振探测的技术问题。很有趣，但很困难，这是该领域的基调。

美国曾发射的那颗卫星基于汤姆逊/康普顿散射或布拉格衍射进行探测，效率很低，相当于光子的“入选条件”非常严苛，极少一部分能被捕获研究，导致统计量和灵敏度都很差。因此，当时的探测目标是X射线非常明亮、偏振又很强的蟹状星云。

“蟹状星云正好是这么特别，换了别的天体就测不到了，就像你在人群里能一眼看到两米多高的姚明。” 冯骅形象地说道。

因此，在完成对蟹状星云的探测后，该领域陷入长达40多年的空白阶段。

“新窗口”谁来启动？

冯骅与合作者采用的是新一代基于光电效应的探测方法/对于能量是几千电子伏特的X射线，它们与物质的主要作用机制是光电效应，光子被吸收，能量把原子核外一个束缚电子激发出来成为自由电子。电子被加速的方向和入射光子的电场振动方向，即偏振方向有关。

“就像你踢一脚皮球，皮球最可能沿着你脚踢的方向飞出去，电子有最大的概率沿着入射光子偏振方向出射，有最小的概率垂直于偏振方向出射，方位角呈cos2分布。如果我们能测量电子在探测器中的径迹并计算出电子出射方向，就可以有效地测量X射线偏振。” 冯骅曾在科普性文章中写道。

用光电效应探测X射线偏振的方法虽然在2001年就被意大利团队提出，并吸引了欧美多个研究团队的关注，但卫星项目皆因种种原因错失良机。

这个“新窗口”，最终轮到中国去开启。

冯骅从2009年起着手研究偏振测量，花了两三年进行原理验证，又花了两三年进行技术优化，随后才开始考虑真正让卫星上天。

与商业化立方星的相遇

2017年，当冯骅与合作者已经获得成熟版本的探测器，正是商业化立方星在中国兴起的时候。

所谓立方星，是一种采用国际通用标准的低成本微小卫星，以“U”进行划分，1U（Unit）立方星体积是10厘米*10厘米*10厘米，也可以形成2U、3U、6U甚至更大的立方星。“极光计划”核心探测器只有火柴盒大小，非常适合成为上面的一员乘客。

“极光计划”立方星和探测器结构示意图

在这种想法的驱动下，冯骅团队做出了第一版本的空间载荷研制，并在一年内完成了紧张的调试和标定，最终搭载在天仪研究院自主研发的10公斤级微小卫星平台上。

2018年10月29日，“极光计划”搭乘“铜川一号”立方星从酒泉发射升空。

2019年7月23日，它捕捉到了蟹状星云脉冲星在一次自转突变的偏振信号变化。

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。”

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飞行观测方法和手段。

就X射线偏振探测而言，在NASA发射探测卫星之前，美国曾经使用探空火箭观测，试图在短短几分钟的曝光时间内收获科学结果。从1968年7月到1971年2月，31个月内尝试三次，最终在第三次才测到了蟹状星云的偏振。

1975年，NASA的OSO-8卫星发射，曝光时长与探空火箭相比不可同日而语，结果自然漂亮得多。

不过，那个年代的天文卫星对卫星平台要求很高，一般都是上吨级的大卫星，成本动辄达到数亿美元，研发周期又长。很多科学家望而却步，只能停留在理论验证阶段。

虽然受到载荷重量的限制，微小卫星并不能完全取代大卫星，但它们无疑可对大卫星形成良好的补充，完成登录大平台前的验证，正如“极光计划”之于国际X射线天文领域未来的旗舰项目eXTP。

“这是国内研发的微小卫星第一次登上国际顶级科研期刊”，天仪研究院创始人兼CEO杨峰表示，“ ‘极光计划’的意义一方面在于空间科学的巨大发现，另一方面来自于航天工程的巨大进步。近年来微小卫星在中国兴起，为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多低成本的可能性。”