愛因斯坦探針衛星首批圖像發布，打造宇宙焰火捕手

由中國科學院牽頭實施的愛因斯坦探針（EP）衛星任務發布了第一批在軌探測圖像。EP衛星是中國科學院空間科學二期先導專項立項并實施的空間科學衛星系列任務之一，由中方主導，歐洲航天局(ESA)、德國馬普地外物理研究所(MPE)和法國航天局(CNES)以國際合作形式參與衛星研制。

愛因斯坦探針衛星示意圖  

EP衛星自2024年衛星1月9日發射以來，在軌已經109天，星上搭載了國際首臺寬視場X射線望遠鏡（WXT）和1臺后隨X射線望遠鏡（FXT）。

其中，WXT是目前國際上探測靈敏度和空間分辨率最高的大視場X射線望遠鏡，對發現宇宙中的新天體、新現象和新規律具有里程碑式的意義。WXT由中國科學院上海技術物理研究所與中國科學院國家天文臺聯合研制，其微孔光學（MPO）關鍵元件由北方夜視提供。

寬視場X射線望遠鏡（WXT）指向銀河系中心的觀測圖像（X射線數據版權EP科學中心 圖）

WXT載荷負責人、中國科學院院士、中國科學院上海技術物理研究所研究員孫勝利表示，“僅載荷研制工程階段，就歷時7年，團隊從概念驗證開始，將一個個設想逐步變為現實，將不可能變為可能，現在這臺望遠鏡終于‘張開了眼睛’，整個過程讓人非常激動和振奮。”

寬視場X射線望遠鏡是時域天文學界“團寵”

“在黑洞潮汐瓦解、恒星爆炸、伽瑪暴等一系列天文事件中，海量的能量瞬間釋放，產生了大量X射線光子橫掃宇宙，這使得X射線成為觀測這些天文事件最好的窗口。”

EP衛星首席科學家助理、國家天文臺張臣研究員介紹到，“由于地球大氣對X射線的吸收，直到許多X射線天文衛星被發射進入太空，天文學家才得到重要的觀測成果。”

既然太空中已經有為數不少的X射線望遠鏡，為什么還需要研制WXT？它又有什么與眾不同呢？

孫勝利拿顯微鏡成像進行了類比，“一般的電子顯微鏡能夠看到分子的結構，但它看不清分子的結構是如何變化的。以往的空間望遠鏡，可以研究天體的狀態，卻同樣無法看清其動態過程。要了解宇宙的演化過程，就需要更深入的觀測能力、更廣的觀測范圍，這正是高能時域天文學關注的主要內容。”

天文觀測中，全天球約為40000平方度，在如此巨大的視場下，想要捕捉并觀察隨機出現、轉瞬即逝的“暫現源”，難度可見一斑。因此，只有設計出針對隨機性事件觀察的設備，才有可能大規模發現和研究這些突發的天文事件。

寬視場X射線望遠鏡（WXT）首次報告的暫現源（X射線數據版權EP科學中心 圖）

EP衛星WXT首次大規模采用微孔龍蝦眼X射線成像技術，由12個寬視場X射線光學鏡頭模塊構成，視場約3850平方度，相當于1/11個天區，填補了國際上在軟X射線波段大視場全天監測設備的空白。

2010年，國家天文臺開始探索微孔龍蝦眼X射線成像技術研究，最初打算購買國外的類似設備，但價格極其昂貴，且對我國存在技術和經濟方面的封鎖，舉步維艱。

十年磨一劍打造國際首臺高精度X射線“廣角攝像機”

自主研制“龍蝦眼”相機究竟難在哪兒？WXT 載荷主任設計師、上海技物所副研究員孫小進介紹，“典型的一片龍蝦眼型微孔光學元件（MPO）是由玻璃材質制作而成的球面薄片，上面整齊排列著100多萬個比頭發絲還細的正方形通道，邊長約40微米，壁厚只有8 微米，內壁光潔度要達到1納米以下。除了關鍵元部件的挑戰，沒有X射線光學系統裝調測試平臺是個讓人‘頭疼’的問題。”

通常光學系統在集成過程中，需要模擬載荷的實際工作狀態，邊裝配邊調試以保證每個光學部件達到理想精度，才能實現最佳的成像效果。

但由于X射線“看不見，摸不著”，且難以進行折射與反射，科研人員在進行WXT集成裝調的過程中，無法使用真實的X射線平行光進行調試，這就好比被“蒙上了雙眼”。

這樣苛刻的條件下，比如要實現48個探測器組件（4個一組）在空間三維尺度上達到0.05毫米的拼接精度，幾乎是不可能完成的任務。

經過多年技術攻關，WXT研制團隊終于實現了“從無到有，從落后到趕超”：成功研制出了MPO龍蝦眼X射線光學組件；國際上大規模首次采用大面陣硅基CMOS探測器用于X射線天文探測；創新性地采用望遠鏡熱量回收管理技術和在軌觸發式處理技術；自主探索出基于可見光的“離線裝調”技術，精確反演出載荷在軌性能；EP探路者試驗模塊（LEIA）在軌成功獲取國際上首幅宇宙大視場X射線聚焦成像天圖……終于，團隊成功研制出了完整的WXT，該設備所有關鍵器件均為我國自主研發。

同步實現高性能、低資源、低功耗

這樣一個超高精度的“廣角相機”，數據量驚人。如何在有限的處理芯片資源和低功耗環境下，實現望遠鏡對速率和性能的要求？WXT的峰值數據率為25.3 G，相當于每秒生成25部1 G的電影。由于原始數據量過大，無法通過星地之間的鏈路進行傳輸，因此，必須先在衛星上進行在軌數據處理，再將有效的信息下傳到地面科學運行中心。

WXT載荷軟件主管設計師、上海技物所高級工程師薛玉龍介紹，“EP衛星是在茫茫宇宙中尋找天文事件，在海量的數據中找到最有效的信息是關鍵”。

電子學設計師程志瑋、顏愛良、薛玉龍，在單機電測現場對軟件及測試結果進行分析討論。中國科學院上海技術物理研究所 供圖

團隊連續三個月，每天工作到凌晨三點，最終將處理后的速率最終降低為5.127 Mb，在軌每秒可在150億個像素中提取約1000個有效像素信息。

此外，為了更好實現高性能、低資源和低功耗之間的平衡，團隊還創新性的采用了望遠鏡熱量回收管理技術以降低能耗。

WXT載荷熱控主管設計師、上海技物所工程師李軍飛介紹，“載荷電子學部件工作時會產生熱量，我們回收并利用這部分熱量為光學系統提供保溫，以防止MPO鏡片發生熱變形。最初整星需要為WXT提供270W的熱控功耗，并且需要1.8平米的輻射板提供電子學散熱，通過熱量回收設計，WXT控溫功耗降為115W，并減少了散熱板面積，為整星減輕了重量并保障了大視場觀測需求。同時，在軌烘烤階段，WXT采用分組烘烤及錯峰措施，將烘烤階段峰值功耗由984W減小到424W以下。”

隨著EP衛星首批在軌觀測圖像發布,時域天文學將迎來跨越式新發展。下一階段，EP將繼續按照既定計劃開展并完成在軌測試，加強國內外合作和數據開放共享工作，探測宇宙中轉瞬即逝的“焰火”，為高能時域天文觀測和研究做出有顯示度的貢獻。