6月26日，“天關”衛星的一個重磅發現吸引了全球天文愛好者的目光：“天關”衛星成功捕捉到一個轉瞬即逝的宇宙X射線信號，為揭示恒星死亡過程提供了全新視角。

“天關”衛星由中國科學院微小衛星創新研究院抓總研制，是一顆面向時域天文學的發現型X射線天文探測衛星。它是“宇宙焰火”的精準“捕手”，在軟X射線波段開展高靈敏度實時動態巡天監測，能夠系統性地發現宇宙高能暫現和劇變天體，探究其本質和物理過程。

“天關”衛星是國際首顆大視場X射線成像衛星。中國科學院微小衛星創新研究院副院長、“天關”衛星總設計師張永合與國內外科研工作者一道，不斷創新突破，挑戰性能極限。日前，張永合接受科技日報記者采訪，講述“天關”衛星背后的攻關歷程和團隊成長故事。

破解觀測難題

記者：請您介紹下“天關”衛星名字的由來。

張永合：我國很多空間科學衛星都有一個結合中華文化和現代科技的名字，比如墨子號、悟空號、夸父一號等。天關星是金牛座的一顆星。公元1054年，天關星附近出現了一個很亮的爆發源，當時北宋的司天監觀測并記錄下了這一事件，將這次爆發的超新星稱為天關客星。

雖然我國最早記錄了天關客星，但在現代天文研究中，對其的觀測工作一度依靠國外的設備，例如錢德拉X射線天文臺、哈勃空間望遠鏡等。“天關”衛星的出現打破了我國在這一領域的“缺席”局面。歷經千年，我們中國人用自己研制的設備，重新“看到”了它，因此這顆衛星被命名為“天關”衛星。

記者：這如同一次穿越古今的“對視”。

張永合：是的，我們常說中國“天關”，一眼千年。這句話其實有兩層含義。一方面，通過“天關”衛星，研究人員能夠看到上億年前的宇宙天體。另一方面，這也代表著經過了千年，我國天文觀測能夠再續輝煌。在古代，我國天文學家用眼睛來看，用筆墨來記錄天關客星。今天，我們用高科技重新“審視”它。

記者：“天關”衛星的主要任務是什么？

張永合：“天關”衛星的主要任務，是在軟X射線波段開展觀測，發現宇宙中的暫現源和劇烈爆發天體。

暫現源是指在短時間內出現，然后很快消失的天體爆發事件。它來得快，去得也快，人們把它形象地稱作“宇宙焰火”。古人把暫現天體稱作“客星”，就是說和恒星相比，它如同“做客”一樣，不久就“走了”。天關客星就是典型的暫現天體。歷史記載，它的亮度很強，無論白天晚上都能被看到。但這樣的亮度持續了23天，后面就一點點地暗淡直至徹底看不見。劇烈爆發天體則是指亮度在短時間內突然出現極大增長的天體。

記者：觀測暫現源和劇烈爆發天體的目的是什么？

張永合：科學家們認為，暫現源和劇烈爆發天體產生于天體形成和演化的關鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關鍵信息。同時，它們在爆發時產生的能量非常大，能夠把這些關鍵信息傳播得更遠、更久。通過觀測工作，我們甚至能夠接收到來自上百億年前的信息。這些宇宙形成早期的信息非常珍貴，對于研究宇宙中的極端現象、探索宇宙演化奧秘具有重要意義。

“天關”衛星的另一個名字“愛因斯坦探針衛星”（Einstein Probe），也體現了研究的目的。愛因斯坦廣義相對論中有關于黑洞、引力波的相關預言。而產生引力波時，可能伴隨X射線輻射或其他種類的電磁輻射。如果有引力波事件發生，“天關”衛星可以調整觀測角度，監測是否有與引力波相對應的電磁輻射信號，使研究人員能夠進一步探索神秘的黑洞和引力波。

打造“全能冠軍”

記者：對比國際上其他觀測暫現源的設備，“天關”衛星有哪些特點？

張永合：相比國際同類衛星，“天關”衛星有三個突出特點：大視場、高靈敏、準定位。作為一顆發現型的衛星，它不僅要具有靈敏的“嗅覺”，還要具有寬闊的“眼界”，只有這樣才能捕捉到一閃而過的“宇宙焰火”。在發現暫現源后，“天關”衛星還能將其精準定位，定位精度可以達到1角分。目前國際上能同時做到大視場和高靈敏的軟X射線探測衛星，只有“天關”衛星。

此外，“天關”衛星能快速地與全球天文觀測設備進行信息交互。它還搭載了兩個焦距達1.6米的后隨X射線望遠鏡，能看到更深遠的宇宙空間。因此，我們也形容它為兼具“廣巡視、精捕捉、快響應、深觀測、速聯網”優點的五項全能冠軍。

記者：為了成為“五項全能冠軍”，科研團隊進行了哪些創新設計？

張永合：可以說“天關”衛星是一顆逐步成長的衛星。研制過程中，我們不斷嘗試，努力挑戰衛星性能極限，做到不留遺憾。一個數據可以說明其性能的不斷提升：在立項初期，“天關”衛星的設計重量僅有1噸，等到發射的時候它的重量已達1.4噸。

例如，為了實現“廣巡視、精捕捉”，我們創新使用了“大眼”+“小眼”的設計。“大眼”是指12臺軟X射線望遠鏡（WXT）模塊。通過運用“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術，它不僅具有3600度的大視場，還實現了觀測靈敏度和空間分辨率1至2個數量級的提升。“小眼”是指兩臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。它的視場雖然不到1度，但接收光子的面積更大，看得更清晰，是“天關”衛星的“千里眼”。

為了實現“大眼”“小眼”的快速切換、精準配合，我們在衛星上設計了全自主的探測、處理、定位、機動、信息分發響應流程，能夠自主識別與分析暫現源，自動排列優先級，實時發布暫現源位置及光子信息并觸發衛星機動；還配置了6個大力矩反作用飛輪，保證后隨望遠鏡能夠即時指向龍蝦眼望遠鏡發現的暫現源，開展后隨深度觀測。

記者：什么是“龍蝦眼”微孔陣列聚焦成像技術？

張永合：這與成像原理有關。簡單來說，“天關”衛星的成像原理類似光學相機，要對“光”進行聚焦和處理。但難點在于，常規光學器件無法聚焦“天關”衛星收集的軟X射線。科學家們想到了龍蝦的眼睛。龍蝦眼是反射式復眼，由上千個“小眼”（多個獨立光學單元）組成，這樣的結構帶來了大視野和較強的聚光能力。

仿照龍蝦的眼睛，載荷團隊在軟X射線望遠鏡上應用了微通道光學（MPO）成像技術。12個望遠鏡共配置了432個MPO鏡片，每個MPO鏡片上面分布著上百萬個微小的方孔。X射線光子在進入小孔后，會在光滑的微通道內壁上發生全反射，并在背照式CMOS探測器上聚焦成像。這樣，“天關”衛星就有了幾億個接收宇宙深處X射線光子的微孔。

記者：從圖片上看，14只“眼睛”的排布也很有特點。

張永合：是的，“天關”衛星像一朵盛開的蓮花，2臺后隨望遠鏡是“花蕊”，12臺龍蝦眼望遠鏡是“花瓣”。它們高低錯落分布，凝視著不同天區。一塊高聳的遮陽板將這朵“蓮花”保護起來，有效阻止了太陽光線對儀器觀測造成干擾。

值得一提的是，在最初的兩版方案中，并沒有這把“遮陽傘”。隨著研究的深入，科學家們希望觀測一些靠近太陽的目標。當時距離投產僅剩幾個月。為了不讓衛星帶著科學家的遺憾上天，我們給衛星動了一次“大手術”，增加了遮陽板，同時采用了全桁架式光學平臺，將12臺龍蝦眼望遠鏡傾斜起來，避開遮陽板的干擾，讓12只“龍蝦眼”目光炯炯地注視著宇宙深空。

記者：“天關”衛星在通訊方面進行了哪些創新？

張永合：衛星在天上并不是“孤軍奮戰”，而是通過聯動地面設備和其他衛星，實現有效信息的共享，以達到更好的觀測效果。為了讓“天關”衛星快速與其他設備“說上話”，我們應用VHF與北斗短報文系統，建立起“天關”衛星實時通訊關系網，實現了與全球天文觀測設備的一體化“互聯”模式。

VHF是法國空間研究中心建設的一個地面VHF波段實時接收網絡，我們可以借助它將“天關”衛星的觀測結果快速發送給其他設備。北斗短報文系統則類似于互發短信的形式，僅需幾個字節就能將重要目標的天文位置坐標發到“天關”衛星上。

后續，我們還計劃進行軟件升級優化，提升“天關”衛星和中法天文衛星等其他設備的通訊交流效率。

培育新生力量

記者：衛星是一個極為復雜的系統。“天關”衛星的研發、運行由怎樣一群科研人員來支撐？

張永合：我們是一支比較年輕的團隊，骨干成員年齡在三十歲左右。團隊總規模近百人，包括衛星設計、載荷設計、計算機、機械、電子信息等專業的人才。研制空間科學衛星是一個不斷獲得新認識的過程，每當遇到問題，我們都會在一起探討，群策群力解決問題。

我是控制專業出身。在衛星研制過程中，我不斷向天文學家們學習天文知識，同時了解他們對衛星的需求。通過掌握相關知識，我能夠在優化設計方案、提升衛星性能的同時，做好潛在風險的評估。

記者：空間科學衛星是國際航天領域科技制高點，您認為我們需要怎樣的空間科學人才？

張永合：首先，我們需要具備全球視野的天文學家，他們能夠提出關鍵的、前瞻性的科學問題，引領空間科學發展。其次，我們需要一批理解天文學的衛星系統工程師，他們屬于跨界人才，讓天文學和工程技術兩個領域“手牽手”，我扮演的就是這一角色。空間科學人才還要能夠與全球的科學家開展合作交流。

此外，我們還需要一批新生力量。空間科學衛星的研制時間很長，遇到的問題都很新。“天關”衛星從提出構思到發射經過了十余年，十年前參與研制的年輕人如今已步入中年。為了保證這一領域的長期、持續發展，我們必須壯大后備軍，培養熱愛空間科學、愿意長期專注這一領域的后備力量。

記者：您認為應該如何培養優秀的空間科學人才？

張永合：我覺得應當進一步豐富空間科學相關項目的數量和種類，增加經費投入，在實戰中培養人才。如今我們國家對空間科學領域的投入不斷增大，陸續開展了“夸父”“天宮”“慧眼”等大、中型項目，但是終究只有少數科研人員能參與其中。我們現在缺少的是有特色的小項目，比如立方星、微小衛星等。我們需要在這些小項目中歷練人才。

此外，中國航天事業發展至今，取得了很多經驗。但是空間科學的理念和傳統航天存在一定區別，比如應用類的衛星往往在設計之初就定好了工程指標，而空間科學衛星的工程指標是隨著認識的深入不斷調整的。因此，我認為在培養人才的過程中，要注重區分兩者不同，培育面向未來、面向國際的空間科學人才。