宇宙中不仅有长期存在的星辰,还有各类突如其来的爆发现象。这些爆发被称为暂现源,也被形象地称作“宇宙焰火”。它们发生于天体演化的关键阶段,携带着宇宙、星系和恒星研究的关键信息。中国科学院主导研制的“天关”卫星,即能够捕捉这些转瞬即逝的“宇宙焰火”。
“天关”卫星已捕捉到多例可能的新类型暂现源。“天关”卫星卓越的“宇宙焰火”捕捉能力,得益于其核心载荷——宽视场X射线望远镜。它也被称为“龙虾眼”望远镜。
生物学家很早就发现龙虾眼睛结构特殊,其由许多方孔形的微型管道构成。这些管道壁光滑且指向同一球心,使得来自不同方向的光线在小方孔内反射并汇聚到龙虾的视网膜上。1979年,美国科学家从中获得灵感,提出模拟龙虾眼制造望远镜,让X射线通过反射聚焦成像。然而,由于技术难度极高,这一设想在提出后很长时间都未能实现。
2000年以来,时域天文学逐渐成为国际天文学界的前沿领域,而采用“龙虾眼”结构设计的X射线望远镜被视为推动这一领域的先进工具。
要研制“龙虾眼”望远镜并非易事。在研究之初,国内缺乏实践经验可供参考。“阅读论文是一回事,实际操作起来完全是另一回事。特别是技术类文献,它们往往不会详细描述具体的技术细节,操作过程中充满了‘坑’,需要自己亲自去跳,然后总结经验,再去尝试。”张臣说。
镜片是望远镜的核心组件,其制造至关重要。在镜片制造方面,张臣团队与北方夜视技术股份展开了深入合作。双方携手攻克了成像光斑不圆等一系列技术难题。
组装镜头又是一大挑战。“‘龙虾眼’望远镜的镜片极为柔软,轻轻一拿就会变形。然而,镜头装配的精度要求极高,在垂直方向上,镜片间的误差必须控制在一微米以内。此外,还需充分考虑火箭发射时强烈震动对镜片稳固性的影响。”张臣说。
“为了加速研发进程,我会尽量在初期就构思出各种可能的路径和方法,然后在实践中尝试不同组合,以期尽快找到最优方案。”张臣说。
以镜头组装为例,镜片变形是一个关键问题,而变形往往源于胶接过程中胶水的收缩。由于镜头被设计成4个部分,在摸索镜片安装工艺过程中,科学家巧妙地对每个部分采用不同的胶接策略以提高工艺验证效率。
科学家还搭建了一整套“龙虾眼”光学系统的自动化装调设备。该设备采用特殊设计的夹具和精密的机械手进行装配,并使用应力较小的胶水对镜片进行固定。在胶水凝固过程中,团队采取了保护措施,确保镜片稳固且不变形。同时,每个镜片的位置和指向都可进行精细调节,以保证整个光学组件的一致性。
“天关”卫星外形犹如一朵绽放的“花朵”,其搭载的12个“龙虾眼”望远镜仿佛12片“花瓣”。在宇宙中,这朵“花朵”静静地等候着于沉寂黑暗中偶尔绽放的“宇宙焰火”。
常规的X射线聚焦望远镜的视场大概是地球上看到的月亮那么大,而“龙虾眼”望远镜的视场可达到约1.5万个月亮那么大,相当于全天面积的1/12。这意味着“龙虾眼”望远镜在国际上首次同时实现大视场全天监测和X射线聚焦成像,可高效监测天体的X射线变化。
“龙虾眼”望远镜已经是世界上最先进的望远镜之一。然而,在回顾设计、研发、发射等全过程后,张臣认为“龙虾眼”望远镜在诸多方面可以做得更好,包括镜片光学质量、镜头的装配水平,以及整体设备的软硬件设计等。
“若能将定位精度提升至几十个角秒,甚至20个角秒以内,将极大提升天文观测效率。”在天体密集区域,高精度定位能让科学家在繁星中迅速锁定观测目标。