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清华天文成果登上《自然•天文》杂志 实现观测方法革新

2020-05-14

5月11日晚,《自然•天文》杂志正式发布了清华大学天文系教授冯骅课题组的论文,清华大学主导的空间天文项目“极光计划”在观测一年后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,这一探测结果标志着,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。

研究成果将应用于我国下一代大科学工程

发布在《自然•天文》杂志的论文显示,“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。

主导这一项目的是清华大学天文系教授冯骅课题组。冯骅介绍,X射线偏振是研究黑洞、中子星等高能天体的有力工具。1968年,美国科学家率先开展了天文X射线偏振探测,并在1975年发射的OSO-8卫星上完成了第一次精确测量。但由于上一代技术的局限性,其探测效率和灵敏度低下,天文X射线偏振探测在这次实验之后便陷入了停滞。

2009年,冯骅带领团队开始对X射线偏振探测技术进行探索和改进,在实验室里研制出了高灵敏度低系统误差的X射线偏振仪。2018年10月29日,由清华大学牵头研制的,配备了X射线偏振探测器的“极光计划”探测器发射升空,经过1年的观测,探测到来自蟹状星云的X射线偏振信号,并发现了有关脉冲星的新天体物理现象。

“天文学是一门观测驱动的科学,其发展在很大程度上依赖新的观测方法和手段。而新的观测方法和手段被称为天文观测的新窗口。”冯骅介绍,“极光计划”探测器是40多年来国际上第一个专门的空间天文软X射线偏振探测器,宣告了这个天文探测窗口的重新开启,而关于蟹状星云脉冲星自转变化物理过程的意外发现,也说明了这个新窗口的重要性。

据了解,“极光计划”所采取的技术将被应用到我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。eXTP是由我国领导的大型中欧合作项目,预计将于2027年发射。

eXTP首席科学家、中科院高能所粒子天体物理中心主任张双南介绍,极光计划发展了最先进的X射线偏振测量技术,实现了历史上仅有的第二次天体X射线偏振测量。不仅验证了40多年前的第一次测量结果的正确性,而且还很有可能发现了一个极具科学价值的新现象。“极光计划的成功表明,目前正在研制和计划中的X射线偏振测量空间项目的科学潜力巨大,其结果也对未来新项目的科学目标确定和技术方案选择提供了新的思路。”

探测器和卫星日常运行由学生负责

据了解,“极光计划”团队由冯骅及一名工程师,一名博士后和3-4名学生组成。卫星日常程序设计、控制程序设计、技术支持和数据处理等工作均需要这一团队完成。

以团队博士生龙翔云为例,在过去的一年多的时间里,他负责为探测器编写“日更”指令集,已经完成3000多次开关机指令。

“我每天都会为探测器提供‘明日工作计划’,通过卫星公司上传至空间。以蟹状星云脉冲星的位置信息为基础,结合卫星轨道信息,目标源、卫星和地球的相对位置,形成开关机、转向等指令,保证探测器避开高通量高能粒子的损伤,星敏感器一直指向星空。”

冯骅介绍,“极光计划”探测器和卫星的日常运行均由学生负责,是学生培养的重要平台。“极光计划”搭载在天仪研究院的“铜川一号”立方星上,此星还装载了一个学生项目——“天格计划”的首个探测器。

冯骅认为,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了大型天文项目的一种弥补手段。“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。”
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