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從雪山、氣球到太空,中國六十載鑄就空間天文“重器”

2017-06-18 20:26:47  来源:新華社 【返回列表】

新華社北京6月18日電(記者屈婷 喻菲 全曉書)在中國科學院高能物理研究所(以下簡稱高能所)的院落裏,一座名為“無盡陰陽”的太極符號雕塑頗有意趣。據說,它揭示了東方哲學和高能物理共同探究的問題——萬物之“道”。
中國近日成功發射的首枚X射線天文衛星“慧眼”同樣要一探宇宙深處的“萬物之道”。它重約2.5噸,是空間科學先導專項中重量最重、特色鮮明的一顆衛星,堪稱“大國重器”。
很少有人知道,這顆衛星的背後是一條崎嶇而壯麗的“悟道”之旅:六十多年來,三代科學家從零起步,殫精竭慮,讓中國高能天體物理從雪山雲室、高空氣球到太空,一步步走向基礎科學領域的最前沿。
(小標題)“守株待兔”的雪山雲室
1954年,在雲南東川一座海拔3200米的山峰上,中國第一個宇宙線實驗室建成了,得名“落雪站”。從1958年到1965年的7年裏,由三個大型雲室組成的實驗裝備陸續建成,使得這一大雲霧室成為當時世界同類裝置規模最大、水準最先進的儀器之一。
但是,雲霧室的原理基本就像“守株待兔”,只有極高能量的宇宙線正好射進來,才能捕捉得到,效率和精度都很難保證。
到了1972年,歐洲核子研究中心等已經展開了高能加速器的研究。在此背景下,同年9月,周恩來總理指示高能物理和高能加速器的研究工作“這件事不能再延遲了”。
1973年,中國科學院高能物理研究所成立,並以雲南落雪山宇宙線觀測站的研究人員為主體,成立了宇宙線研究室,從此以空間、地面、地下等多種探測手段開展粒子天體物理的實驗研究。
高能所研究員張承模清楚地記得,自己是1975年“上山”的,參與改造了雲霧室的電子學系統。由於山高路險,科研人員一“上山”就是一年多,蔬菜、大米都需要從海拔2000多米的銅礦區扛上來。
“當時我們有一個口號叫:頭頂藍天,腳踩白雲,一定要把雲霧室改造好。”張承模回憶說,山上最大的敵人是寒冷和缺氧,一些身體差的人甚至會吐血。但這些年輕的物理學家頗具樂觀精神,不忘觀察松鼠、落地松,雲霧氤氳中還會以歌聲唱和。
新系統運行後的一年裏,張承模和同事們值班時最主要的工作就是等待著巨大的爆炸聲響起,其餘時間就用看書打發時間。大家發現,真正的觀測數據很少,有用的數據更是“少之又少”,根本無法形成具有國際影響力的成果。
這使得李惕碚、顧逸東、吳枚等一批年輕物理學家意識到:一定要發展主動觀測的手段,挺進空間天文觀測的“高地”。
(小標題)“HAPI”飛入平流層
當時,他們決定把探測宇宙高能粒子的儀器安置在高空氣球上,飛入平流層進行天體物理觀測。
在李惕碚的領導下,研究團隊分成兩隊,一隊由吳枚、陸柱國牽頭,研製載荷探測器;另一隊由顧逸東領銜,研究氣球運載;此外,馬宇蒨負責數據分析平臺的建設。
身在載荷團隊的張承模回憶,一開始大家只能從日本、德國的書上一點點了解空間觀測器的概念,尋找材料,即使是製作一個最簡單的光電倍增管讀出系統,也吃盡了苦頭。
研製氣球的運載團隊一樣遇到了很大困難。沒有計算機模擬計算升限、載重等設計參數,他們全靠紙筆運算,先把報紙一塊塊粘起來,像裁縫一樣剪出需要的形狀,再把它們拼成模型,最後據此將氣球材料一塊塊剪下來,互相拼接成氣球。
“零號”產品誕生於1983年中秋節。在河北香河縣,一個3000立方米的氣球帶著鋁制吊籃充滿了氫氣,攜帶著被泡沫包裹嚴實的探測器第一次飛入了平流層!
有趣的是,在這個探測器大功告成之際,大家就有了“舔犢”之心,商量著要給它起個名字,也為未來的系列探測器博個“好彩頭”。最後,還是李惕碚提議用其英文縮寫“HAPI”,也取“happy”的諧音,大家欣然同意。
1984年5月23日,3萬立方米的高空氣球帶著“HAPI-1”首次實現平流層高度上對蟹狀星雲脈衝星33毫秒週期信號的X射線觀測。
1985年9月22日,10萬立方米的高空氣球帶著“HAPI-2”幸運地觀測到了黑洞候選體——“天鵝座X-1”的時間結構和能量譜。
1987年,一顆超新星爆發,只有南半球能觀測到,巴西是最好的觀測地。儘管經費不足,但中國科學家還是攜“HAPI-3”首次赴海外參與國際天文聯合觀測。
最特別的是“HAPI-4”,因為它要驗證1992年由李惕碚和吳枚提出的直接解調成像方法。這種方法與西方科學界複雜、昂貴的編碼孔徑成像方法相比,物美價廉得“難以置信”,但也有人對此表示懷疑。
1993年9月25日,“HAPI-4”升至36-38千米的高空,對“天鵝座X-1”進行約1小時掃描觀測。結果表明,HAPI-4的成像品質優於大型編碼孔徑成像望遠鏡。
至此,HAPI系列探測器完成了自己承前啟後的使命。1993年,硬X射線調製望遠鏡(簡稱HXMT)項目被提出,並在2011年3月正式立項。
(小標題)“神舟”“嫦娥”“天宮”開啟太空觀測
1992年9月21日,中國載人航天工程啟動。按照計劃,“神舟二號”飛船上將搭載超軟X射線、X射線和伽馬射線探測器。而其中的X射線探測器可謂是HXMT望遠鏡的最原初設計。
通過近8年的研製,2001年1月10日,被喻為“太空實驗艙”的“神舟二號”發射升空。位於飛船頭部的探測器成功觀測到了近30個宇宙伽馬暴和近百例太陽耀斑的X射線、伽馬射線暴發事例。這是中國科學家首次獲得了在地球以外350公里到400公里高度的空間天文觀測數據,可謂意義非凡。
2007年,X射線譜儀隨“嫦娥一號”走向距離地球38萬公里的深空。中國首次獲得了第一手的月球元素數據,這將幫助人類探索月球的起源。
2010年10月1日,空間高分辨率X射線譜儀隨“嫦娥二號”發射成功。它在月球軌道開機195天,通過數據分析獲得了國際上首個基於X射線觀測數據的全月鋁元素分佈。這一“跨越”最遠的觀測,還獲得了中國目前分辨率最高的太陽X射線能譜,提高了人類對日地空間環境的認識。
2013年12月14日,“嫦娥三號”衛星穩穩地“落”在月球上,對月面開展巡視勘察。若干個小時後,月球車“玉兔”與著陸器分離,邁開了歷史性的“又一步”。在“玉兔”的機械臂前段,就是高能所科學家研製的粒子激發X射線譜儀。
2016年9月,一枚外觀像一盒方形蛋糕,而被科學家昵稱為“小蜜蜂”的探測器“趴”在升空的“天宮二號”頂部,用它複雜的“眼睛”尋找宇宙中最閃耀的爆炸——伽馬射線暴。
HXMT望遠鏡項目首席科學家張雙南透露,HXMT主要研究銀河系內的天體;未來新的天文衛星還可能對其中部分天體進行精細研究,同時也會對鄰近宇宙展開觀測;“再下一步,我們就想把研究範圍擴展到整個宇宙。”(完)