龙虾眼相机研制团队打造“宇宙焰火捕手”爱因斯坦探针卫星成功“抓拍”

图说：爱因斯坦探针卫星示意图

银河系中心、巨椭圆星系梅西耶87、蟹状星云……爱因斯坦探针卫星成功“抓拍”的首批在轨科学探测图像在2024中关村论坛年会平行论坛空间科学论坛上发布，卫星的优良观测性能得到验证。

这颗空间科学卫星已经在轨109天，因主要科学目标涉及黑洞、引力波等爱因斯坦相对论的重要科学预言，取名为“爱因斯坦探针”。星上搭载了国际首台宽视场X射线望远镜（WXT）和1台后随X射线望远镜（FXT）。

宽视场X射线望远镜载荷负责人、中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员孙胜利表示，“仅载荷研制工程阶段，就历时7年，团队从概念验证开始，将一个个设想逐步变为现实，现在这台望远镜终于‘张开了眼睛’，整个过程让人非常激动和振奋。”

图说：宽视场X射线望远镜（WXT）指向银河系中心的观测图像 来源/EP科学中心

图说：宽视场X射线望远镜（WXT）首次报告的暂现源 来源/EP科学中心

图说：后随X射线望远镜（FXT）对梅西耶87（M87）椭圆星系观测图像

时域天文学界“团宠”

“在黑洞潮汐瓦解、恒星爆炸、伽玛暴等一系列天文事件中，海量的能量瞬间释放，产生了大量X射线光子横扫宇宙，这使得X射线成为观测这些天文事件最好的窗口。”爱因斯坦探针卫星首席科学家助理、国家天文台研究员张臣介绍，“由于地球大气对X射线的吸收，直到许多X射线天文卫星被发射进入太空，天文学家才得到重要的观测成果。”

太空中已经有为数不少的X射线望远镜，为什么我们还需要研制宽视场X射线望远镜？它又有什么与众不同呢？

图说：宽视场X射线望远镜（WXT）子模块 来源/中国科学院上海技术物理研究所（下同）

孙胜利拿显微镜成像进行了类比，“一般的电子显微镜能够看到分子的结构，但它看不清分子的结构是如何变化的。以往的空间望远镜，可以研究天体的状态，却同样无法看清其动态过程。要了解宇宙的演化过程，就需要更深入的观测能力、更广的观测范围，这正是高能时域天文学关注的主要内容。”

天文观测中，全天球约为40000平方度，在如此巨大的视场下，想要捕捉并观察随机出现、转瞬即逝的“暂现源”，难度可见一斑。因此，只有设计出针对随机性事件观察的设备，才有可能大规模发现和研究这些突发的天文事件。爱因斯坦探针卫星宽视场X射线望远镜首次大规模采用微孔龙虾眼X射线成像技术，由12个宽视场X射线光学镜头模块构成，视场约3850平方度，相当于1/11个天区，填补了国际上在软X射线波段大视场全天监测设备的空白。

图说：装调中的龙虾眼光学系统

“广角相机”从无到有

自主研制“龙虾眼”相机究竟难在哪儿？

宽视场X射线望远镜载荷主任设计师、上海技物所副研究员孙小进解释，典型的一片龙虾眼型微孔光学元件（MPO）是由玻璃材质制作而成的球面薄片，上面整齐排列着100多万个比头发丝还细的正方形通道，边长约40微米，壁厚只有8 微米，内壁光洁度要达到1纳米以下。除了关键元部件的挑战，没有X射线光学系统装调测试平台也是让人“头疼”的问题。

经过多年技术攻关，宽视场X射线望远镜研制团队终于实现了“从无到有，从落后到赶超”：成功研制出了MPO龙虾眼X射线光学组件；创新性地采用望远镜热量回收管理技术和在轨触发式处理技术；自主探索出基于可见光的“离线装调”技术，精确反演出载荷在轨性能……据悉，该设备所有关键器件均为我国自主研发。

这样一台超高精度的“广角相机”，数据量惊人。如何在有限的处理芯片资源和低功耗环境下，实现望远镜对速率和性能的要求？

据了解，宽视场X射线望远镜的峰值数据率为25.3 G，相当于每秒生成25部1 G的电影。由于原始数据量过大，无法通过星地之间的链路传输，因此，必须先在卫星上进行在轨数据处理，再将有效的信息下传到地面科学运行中心。宽视场X射线望远镜载荷软件主管设计师、上海技物所高级工程师薛玉龙说，在海量的数据中找到最有效的信息是关键。团队连续三个月，每天工作到凌晨三点，最终将处理后的速率最终降低为5.127 Mb，在轨每秒可在150亿个像素中提取约1000个有效像素信息。

图说：宽视场X射线望远镜（WXT）子模块装调

探测转瞬即逝的“焰火”

截至目前，爱因斯坦探针卫星已探测到新的暂现源17例、恒星耀发168例，并发布全球电报10余条，引导国际上包括最大的Keck等多个光学和射电望远镜、空间 X 射线天文台开展了后随跟踪观测。

探测到的新暂现源具有不同的起源类型，有潮汐瓦解恒星事件、伽马射线暴、新的磁激变变星、新的X射线双星等，观测结果得到了国际同行的高度认可和关注，为国内外地面和空间望远镜协同观测提供了重要的指引。

X射线观测领域专家、英国莱斯特大学教授保罗·奥布莱恩和理查德·威丁格尔表示：“几十年来，我们一直在期待一个真正的宽视场软X射线望远镜。这项技术将对X射线天空的监测带来变革性的推动。”

随着爱因斯坦探针卫星首批在轨观测图像发布, 时域天文学将迎来跨越式新发展。下一阶段，卫星将继续按照既定计划开展并完成在轨测试，加强国内外合作和数据开放共享工作，探测宇宙中转瞬即逝的“焰火”，为高能时域天文观测和研究做出有显示度的贡献。

新民晚报特派记者 郜阳 通讯员 虞慧娴