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从雪山、气球到太空,六十载铸就空间天文“重器”

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作者: 屈婷 喻菲 全晓书发布时间: 2017-06-19 13:58:09来源: 新华社

矗立在高能所院内的“无尽阴阳”雕塑。

新华社北京6月18日电(记者屈婷 喻菲 全晓书)在中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)的院落里,一座名为“无尽阴阳”的太极符号雕塑颇有意趣。据说,它揭示了东方哲学和高能物理共同探究的问题——万物之“道”。

中国近日成功发射的首枚X射线天文卫星“慧眼”同样要一探宇宙深处的“万物之道”。它重约2.5吨,是空间科学先导专项中重量最重、特色鲜明的一颗卫星,堪称“大国重器”。

很少有人知道,这颗卫星的背后是一条崎岖而壮丽的“悟道”之旅:六十多年来,三代科学家从零起步,殚精竭虑,让中国高能天体物理从雪山云室、高空气球到太空,一步步走向基础科学领域的最前沿。

【“守株待兔”的雪山云室】

1954年,在云南东川一座海拔3200米的山峰上,中国第一个宇宙线实验室建成了,得名“落雪站”。从1958年到1965年的7年里,由三个大型云室组成的实验装备陆续建成,使得这一大云雾室成为当时世界同类装置规模最大、水平最先进的仪器之一。

当年建在云南高山上的“落雪站”。(记者贺萌手绘)

但是,云雾室的原理基本就像“守株待兔”,只有极高能量的宇宙线正好射进来,才能捕捉得到,效率和精度都很难保证。

到了1972年,欧洲核子研究中心等已经展开了高能加速器的研究。在此背景下,同年9月,周恩来总理指示高能物理和高能加速器的研究工作“这件事不能再延迟了”。

1973年,中国科学院高能物理研究所成立,并以云南落雪山宇宙线观测站的研究人员为主体,成立了宇宙线研究室,从此以空间、地面、地下等多种探测手段开展粒子天体物理的实验研究。

高能所研究员张承模清楚地记得,自己是1975年“上山”的,参与改造了云雾室的电子学系统。由于山高路险,科研人员一“上山”就是一年多,蔬菜、大米都需要从海拔2000多米的铜矿区扛上来。

“当时我们有一个口号叫:头顶蓝天,脚踩白云,一定要把云雾室改造好。”张承模回忆说,山上最大的敌人是寒冷和缺氧,一些身体差的人甚至会吐血。但这些年轻的物理学家颇具乐观精神,不忘观察松鼠、落地松,云雾氤氲中还会以歌声唱和。

新系统运行后的一年里,张承模和同事们值班时最主要的工作就是等待着巨大的爆炸声响起,其余时间就用看书打发时间。大家发现,真正的观测数据很少,有用的数据更是“少之又少”,根本无法形成具有国际影响力的成果。

这使得李惕碚、顾逸东、吴枚等一批年轻物理学家意识到:一定要发展主动观测的手段,挺进空间天文观测的“高地”。

【“HAPI”飞入平流层】

当时,他们决定把探测宇宙高能粒子的仪器安置在高空气球上,飞入平流层进行天体物理观测。

中国自行研制的高空气球飞入平流层。(记者贺萌手绘)

在李惕碚的领导下,研究团队分成两队,一队由吴枚、陆柱国牵头,研制载荷探测器;另一队由顾逸东领衔,研究气球运载;此外,马宇蒨负责数据分析平台的建设。

身在载荷团队的张承模回忆,一开始大家只能从日本、德国的书上一点点了解空间观测器的概念,寻找材料,即使是制作一个最简单的光电倍增管读出系统,也吃尽了苦头。

研制气球的运载团队一样遇到了很大困难。没有计算机模拟计算升限、载重等设计参数,他们全靠纸笔运算,先把报纸一块块粘起来,像裁缝一样剪出需要的形状,再把它们拼成模型,最后据此将气球材料一块块剪下来,互相拼接成气球。

“零号”产品诞生于1983年中秋节。在河北香河县,一个3000立方米的气球带着铝制吊篮充满了氢气,携带着被泡沫包裹严实的探测器第一次飞入了平流层!

有趣的是,在这个探测器大功告成之际,大家就有了“舔犊”之心,商量着要给它起个名字,也为未来的系列探测器博个“好彩头”。最后,还是李惕碚提议用其英文缩写“HAPI”,也取“happy”的谐音,大家欣然同意。

1984年5月23日,3万立方米的高空气球带着“HAPI-1”首次实现平流层高度上对蟹状星云脉冲星33毫秒周期信号的X射线观测。

1985年9月22日,10万立方米的高空气球带着“HAPI-2”幸运地观测到了黑洞候选体——“天鹅座X-1”的时间结构和能量谱。

1987年,一颗超新星爆发,只有南半球能观测到,巴西是最好的观测地。尽管经费不足,但中国科学家还是携“HAPI-3”首次赴海外参与国际天文联合观测。

最特别的是“HAPI-4”,因为它要验证1992年由李惕碚和吴枚提出的直接解调成像方法。这种方法与西方科学界复杂、昂贵的编码孔径成像方法相比,物美价廉得“难以置信”,但也有人对此表示怀疑。

1993年9月25日,“HAPI-4”升至36-38千米的高空,对“天鹅座X-1”进行约1小时扫描观测。结果表明,HAPI-4的成像质量优于大型编码孔径成像望远镜。

至此,HAPI系列探测器完成了自己承前启后的使命。1993年,硬X射线调制望远镜(简称HXMT)项目被提出,并在2011年3月正式立项。

【“神舟”“嫦娥”“天宫”开启太空观测】

1992年9月21日,中国载人航天工程启动。按照计划,“神舟二号”飞船上将搭载超软X射线、X射线和伽马射线探测器。而其中的X射线探测器可谓是HXMT望远镜的最原初设计。

月球车展开机械臂展开探测。(记者贺萌手绘)

通过近8年的研制,2001年1月10日,被喻为“太空实验舱”的“神舟二号”发射升空。位于飞船头部的探测器成功观测到了近30个宇宙伽马暴和近百例太阳耀斑的X射线、伽马射线暴发事例。这是中国科学家首次获得了在地球以外350公里到400公里高度的空间天文观测数据,可谓意义非凡。

2007年,X射线谱仪随“嫦娥一号”走向距离地球38万公里的深空。中国首次获得了第一手的月球元素数据,这将帮助人类探索月球的起源。

2010年10月1日,空间高分辨率X射线谱仪随“嫦娥二号”发射成功。它在月球轨道开机195天,通过数据分析获得了国际上首个基于X射线观测数据的全月铝元素分布。这一“跨越”最远的观测,还获得了中国目前分辨率最高的太阳X射线能谱,提高了人类对日地空间环境的认识。

2013年12月14日,“嫦娥三号”卫星稳稳地“落”在月球上,对月面开展巡视勘察。若干个小时后,月球车“玉兔”与着陆器分离,迈开了历史性的“又一步”。在“玉兔”的机械臂前段,就是高能所科学家研制的粒子激发X射线谱仪。

2016年9月,一枚外观像一盒方形蛋糕,而被科学家昵称为“小蜜蜂”的探测器“趴”在升空的“天宫二号”顶部,用它复杂的“眼睛”寻找宇宙中最闪耀的爆炸——伽马射线暴。

HXMT望远镜项目首席科学家张双南透露,HXMT主要研究银河系内的天体;未来新的天文卫星还可能对其中部分天体进行精细研究,同时也会对邻近宇宙展开观测;“再下一步,我们就想把研究范围扩展到整个宇宙。”

(责编: 央卓)
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