中国“龙虾眼”升空，全景捕捉宇宙闪光！爱因斯坦探针开启新时代

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爱因斯坦探针卫星：龙虾眼成像技术开启X射线天文学新纪元

2024年1月9日，成为中国X射线天文学发展史上的里程碑时刻。当天，中国在西昌卫星发射中心成功发射了被誉为“天关”的爱因斯坦探针卫星。这颗旨在揭示宇宙暂现源奥秘的科学卫星，凭借其革命性的“龙虾眼微孔聚焦成像”技术，为人类观测动态宇宙打开了一扇全新窗口。

X射线天文观测的技术挑战

X射线天文学自20世纪60年代兴起以来，一直面临特殊的技术难题。与可见光不同，X射线光子能量高，以小角度入射时会发生全反射，大角度入射则易被吸收。这一物理特性使得传统光学成像方法在X射线波段几乎失效。早期观测只能依赖准直型探测器通过扫描间接成像，分辨率与灵敏度均受到严重制约。

直到20世纪末，沃尔特型望远镜的出现才实现了真正的X射线聚焦成像。该型望远镜采用嵌套式镀膜镜面，使X射线以极小掠射角聚焦。然而，这类望远镜通常视场狭窄，难以实现对广袤天区的持续监测。如何在保持高灵敏度的同时获取大视场，成为X射线天文学界长期追求的目标。

龙虾眼光学原理的突破

自然界的精妙结构常为人类科技带来灵感。龙虾眼睛的独特构造引起了科学家注意：其由无数方形微孔组成，每个微孔内壁光滑且共同指向同一球心。这种结构使来自不同方向的光线均能在视网膜上成像，实现了接近360度的全景视野。

受此启发研发的“龙虾眼微孔聚焦成像”技术，成功解决了X射线天文观测的长期困境。该技术利用大量方形微孔组成的阵列，使X射线光子通过全反射在焦平面成像。这一设计使望远镜既能保持大视场，又能实现高灵敏度聚焦观测，一举突破了传统X射线望远镜视野与灵敏度难以兼顾的技术瓶颈。

爱因斯坦探针卫星搭载的宽视场X射线望远镜（WXT）便应用了这项先进技术。WXT镜头由432片特殊镜片组成，每片镜片包含约78万个方形微孔，全系统微孔总数超过3.3亿个。如此精密的结构使望远镜单次观测可覆盖约3.6平方度的天区，并能在5小时内完成对半个天球的扫描。

WXT镜头的技术攻关之路

WXT镜头的研制历程见证了中国科学家攻坚克难的创新精神。2010年，国家天文台成立X射线成像实验室，启动“龙虾眼微孔聚焦成像”技术研究。以张臣、凌志兴等为代表的科研团队，面临着从基础理论到工程实现的全链条挑战。

镜片制造是首道难关。进口单片镜片成本高达25万元，而系统所需432片镜片总造价难以承受。研究团队决定与北方夜视技术股份有限公司合作，走自主研制之路。通过严格的工艺优化与筛选，团队从近万片初制品中精选出500多片合格镜片，在满足需求的同时将成本降低一半以上。

镜片组装的精度挑战更为严峻。每片镜片尺寸为42.5毫米见方，需精确安装并确保78万个微孔全部指向同一球心。单个模块含36片镜片，共计2808万个微孔需对齐，而全系统需集成12个这样的模块。在项目负责人张臣的带领下，团队通过创新装调工艺与精密测量技术，最终攻克了这一难题。

在轨科学成果与未来展望

爱因斯坦探针卫星发射以来，已取得一系列引人瞩目的科学成果。2024年1月19日，WXT首次开机即成功捕获首光图像；2月19日，卫星向全球发布首个暂现源探测结果；3月15日，WXT探测到一例伽马射线暴，这是人类首次在软X射线波段捕捉到来自宇宙早期爆发的信号，相关成果已在《自然·天文学》发表。

4月8日，卫星探测到一例具有独特X射线特征的暂现源，展现出揭示宇宙未知现象的能力。4月27日，卫星公布了首批在轨探测图像，涵盖银河系中心、超大质量黑洞M87、半人马座ω星团等重要天体，以及蟹状星云等超新星遗迹的精细观测数据。

7月22日，爱因斯坦探针卫星通过其在轨测试评审，正式转入长期科学运行阶段。10月31日，卫星完成在轨测试验收，开始为全球科学用户提供观测服务。

爱因斯坦探针卫星的科学目标主要集中于时域天文学领域。它将系统搜寻宇宙中的暂现源与爆发事件，包括潮汐瓦解事件、伽马射线暴、超新星爆发等。同时，卫星还将监测黑洞、中子星等致密天体的多波段电磁对应体，为研究极端宇宙环境下的物理过程提供宝贵数据。

技术创新的科学意义

爱因斯坦探针卫星的成功，标志着X射线天文学迈入新纪元。其宽视场与高灵敏度的结合，使得对宇宙暂现源的系统性普查成为可能，这对理解宇宙的动态本质、研究致密天体的形成与演化具有重要意义。

在更广阔的视角下，龙虾眼成像技术的成功应用为未来空间观测任务开辟了新的技术路径。该技术有望在引力波电磁对应体搜寻、多信使天文学研究中发挥关键作用。正如爱因斯坦探针卫星首席科学家袁为民研究员所说：“我们选择了一条从未有人走过的路，希望看到人类未曾见过的风景。”

爱因斯坦探针卫星的研制历程证明，基础科学研究的技术突破往往源于对自然规律的深刻理解与创新应用。从龙虾眼睛的结构仿生到X射线成像的技术革命，这场跨越生物学与天体物理学的协同创新，彰显了学科交叉在推动科技进步中的强大潜力。随着卫星持续在轨运行，人类对动态宇宙的认知必将迈向新的高度。