宇宙中不僅有長期存在的星辰，還有各類突如其來的爆發現象。這些爆發被稱為暫現源，也被形象地稱作“宇宙焰火”。它們發生于天體演化的關鍵階段，攜帶著宇宙、星系和恒星研究的關鍵信息。中國科學院主導研制的“天關”衛星，即能夠捕捉這些轉瞬即逝的“宇宙焰火”。
2月19日，一項新成果作為歐洲航天局首篇基于“天關”衛星數據主導的論文，在《天體物理雜志快報》上正式發布。自2024年1月9日發射以來，“天關”衛星已捕捉到多例可能的新類型暫現源?！疤礻P”衛星卓越的“宇宙焰火”捕捉能力，得益于其核心載荷——寬視場X射線望遠鏡。它也被稱為“龍蝦眼”望遠鏡。
“天關”衛星首席科學家助理、中國科學院國家天文臺研究員張臣是“龍蝦眼”望遠鏡光學系統負責人。他自豪地表示，迄今為止，國際上還沒有能與我國“龍蝦眼”望遠鏡相媲美的同類型載荷甚至樣機。
圖為張臣正在展示“龍蝦眼”望遠鏡鏡片。 受訪者供圖
“半路出家”開始研究
生物學家很早就發現龍蝦眼睛結構特殊，其由許多方孔形的微型管道構成。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反射并匯聚到龍蝦的視網膜上。1979年，美國科學家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼制造望遠鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。然而，由于技術難度極高，這一設想在提出后很長時間都未能實現。
2000年以來，時域天文學逐漸成為國際天文學界的前沿領域，而采用“龍蝦眼”結構設計的X射線望遠鏡被視為推動這一領域的先進工具。
談到如何步入“龍蝦眼”望遠鏡的研究，張臣笑稱自己是“半路出家”。
“上本科時，我學習的是核技術，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行高能天文設備研制的相關工作。當時張雙南老師認為，我國需要一個兼具超大視野和高靈敏度的‘龍蝦眼’望遠鏡，這將極大促進我國在時域天文學領域的發展。”張臣說，“在老師的建議下，2009年，我抱著試一試的心態去做這個課題，‘半路出家’開始研究?！?span style="display:none">E4a流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
張臣有在校期間在實驗室動手操作的經驗，擁有數據分析等方面的基礎，這使他能夠快速投入“龍蝦眼”望遠鏡的研制工作。
然而，要研制“龍蝦眼”望遠鏡并非易事。在研究之初，國內缺乏實踐經驗可供參考。“閱讀論文是一回事，實際操作起來完全是另一回事。特別是技術類文獻，它們往往不會詳細描述具體的技術細節，操作過程中充滿了‘坑’，需要自己親自去跳，然后總結經驗，再去嘗試?！睆埑颊f。
2010年，張臣進入中國科學院國家天文臺，之后前往英國進行了為期兩個月的望遠鏡制造系統理論學習。回國后，他逐步展開了“龍蝦眼”望遠鏡的研制工作。但很快，張臣便發現國外已有的技術路線存在缺陷。于是，他和研發團隊踏上了探索自主研發“龍蝦眼”望遠鏡技術之路。
一年完成從生產到測試
望遠鏡研發的起點是頂層設計。張臣介紹，在頂層設計階段，他和團隊嚴格把控，為后續工作打下堅實的基石。
然而，頂層設計僅僅是破解難題的第一步，落實才是關鍵。在張臣看來，整個研究項目最為艱巨的任務，是要在短短一年內完成“龍蝦眼”望遠鏡12個鏡頭從生產、組裝到測試的全部工作，時間緊迫、任務艱巨。
鏡片是望遠鏡的核心組件，其制造至關重要。在鏡片制造方面，張臣團隊與北方夜視技術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難題。
組裝鏡頭又是一大挑戰?！啊埼r眼’望遠鏡的鏡片極為柔軟，輕輕一拿就會變形。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。此外，還需充分考慮火箭發射時強烈震動對鏡片穩固性的影響?！睆埑颊f。
當時，“天關”衛星首席科學家袁為民對“龍蝦眼”的研發深表擔憂。他認為，以當時的技術水平，要確保儀器性能達到國際頂尖水平，并精準滿足科學需求，并不容易。對于張臣而言，研發“龍蝦眼”也無疑是一項艱巨的挑戰。
研制任務時間緊、任務重，張臣沒有太多試錯機會。“為了加速研發進程，我會盡量在初期就構思出各種可能的路徑和方法，然后在實踐中嘗試不同組合，以期盡快找到最優方案。”張臣說。
以鏡頭組裝為例，鏡片變形是一個關鍵問題，而變形往往源于膠接過程中膠水的收縮。由于鏡頭被設計成4個部分，在摸索鏡片安裝工藝過程中，張臣巧妙地對每個部分采用不同的膠接策略以提高工藝驗證效率。
張臣和團隊還搭建了一整套“龍蝦眼”光學系統的自動化裝調設備。該設備采用特殊設計的夾具和精密的機械手進行裝配，并使用應力較小的膠水對鏡片進行固定。在膠水凝固過程中，團隊采取了保護措施，確保鏡片穩固且不變形。同時，每個鏡片的位置和指向都可進行精細調節，以保證整個光學組件的一致性。
張臣介紹，無論是鏡片生產工藝、鏡頭設計加工還是裝配流程，團隊都采用了與國外不同的創新路徑，并取得了顯著成果。
追求精度效益無止境
“天關”衛星外形猶如一朵綻放的“花朵”，其搭載的12個“龍蝦眼”望遠鏡仿佛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，常規的X射線聚焦望遠鏡的視場大概是地球上看到的月亮那么大，而“龍蝦眼”望遠鏡的視場可達到約1.5萬個月亮那么大，相當于全天面積的1/12。這意味著“龍蝦眼”望遠鏡在國際上首次同時實現大視場全天監測和X射線聚焦成像，可高效監測天體的X射線變化。
“龍蝦眼”望遠鏡已經是世界上最先進的望遠鏡之一。然而，在回顧設計、研發、發射等全過程后，張臣認為“龍蝦眼”望遠鏡在諸多方面可以做得更好，包括鏡片光學質量、鏡頭的裝配水平，以及整體設備的軟硬件設計等。
例如，在光學方面，張臣認為縮小光斑尺寸，可進一步提高望遠鏡的靈敏度。同時，定位精度也存在優化空間?！叭裟軐⒍ㄎ痪忍嵘翈资畟€角秒，甚至20個角秒以內，將極大提升天文觀測效率?！睆埑颊f，在天體密集區域，高精度定位能讓科學家在繁星中迅速鎖定觀測目標。
張臣表示，“天關”項目已經獲得國際天文界高度評價。他希望“天關”項目在未來兩年內能夠取得更多重大科學成果。
“科學界有這么一句話，‘多說無益，給我數據’。對于科學裝備和儀器研發人員而言，不能光說不練，要拿出實驗數據說話，好的觀測結果才是裝備儀器研發人員的獎牌。”他說。
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