1975年，人類歷史上第一顆帶著X射線偏振探測任務的衛星由NASA發射升空，對蟹狀星雲的探測結果令人振奮。沒想到，“出道即顛峰”，該領域陷入長期的停滯和等待。“那是第一次，也是最後一次。” 清華大學天文系教授馮驊曾在接受澎湃新聞專訪時惋惜地說道。

成像、能量、時變，宇宙源X射線的各類研究欣欣向榮，唯獨偏振，作為光子基本屬性之一，卻似被遺忘了。

5月11日，馮驊課題組與合作者報告了“極光計劃”配備的X射線偏振探測器在衛星上經過1年的觀測，探測到來自蟹狀星雲及脈衝星（中子星的一種）的軟X射線偏振信號，並首次發現了脈衝星自轉突變和恢復過程中X射線偏振信號的變化，說明在此過程中脈衝星磁場發生了變化。

該成果在《自然·天文》（Nature Astronomy）上以封面論文的形式發表，標誌著因技術困難停滯了40多年的天文軟X射線偏振探測窗口重新開啟。

《自然·天文》當期封面圖片

這篇封面論文注定不會重演“出道即顛峰”的命運，而是大樂章的序曲。“極光計劃”所採取的技術將被應用到中國下一代大科學工程“增強型X射線時變與偏振天文台”(eXTP)上。

另一方面，中國天文前沿研究與低成本商業立方星的相遇也值得關注。“極光計劃”由清華大學擔任科學總體，商業衛星公司天儀研究院作為衛星工程總體。

被“遺忘”的偏振

偏振是光子的基本屬性之一，偏振濾片像一塊特定方向的柵欄，只允許相應偏振方向的光子通過。觀看3D電影時的眼鏡就運用了這樣的原理，選擇一部分光進入左眼，另一部分光進入右眼，形成3D圖像。

相比起我們熟悉的可見光，X射線的波長非常短。雖然人類肉眼看不到，但它在天文學上很有用。宇宙中有一些天體（如黑洞、中子星等）幾乎不發出可見光，卻能發出“明亮”的X射線，並透露有關天體磁場、天體幾何形狀的重要信息。

馮驊介紹道，從上世紀60年代起，人類可以通過X射線望遠鏡探測X射線的能量、時變等信息，卻遲遲無法解決X射線偏振探測的技術問題。很有趣，但很困難，這是該領域的基調。

美國曾發射的那顆衛星基於湯姆遜/康普頓散射或布拉格衍射進行探測，效率很低，相當於光子的“入選條件”非常嚴苛，極少一部分能被捕獲研究，導致統計量和靈敏度都很差。因此，當時的探測目標是X射線非常明亮、偏振又很強的蟹狀星雲。

“蟹狀星雲正好是這麼特別，換了別的天體就測不到了，就像你在人群裡能一眼看到兩米多高的姚明。” 馮驊形像地說道。

因此，在完成對蟹狀星雲的探測後，該領域陷入長達40多年的空白階段。

“新窗口”誰來啟動？

馮驊與合作者採用的是新一代基於光電效應的探測方法/對於能量是幾千電子伏特的X射線，它們與物質的主要作用機制是光電效應，光子被吸收，能量把原子核外一個束縛電子激發出來成為自由電子。電子被加速的方向和入射光子的電場振動方向，即偏振方向有關。

“就像你踢一腳皮球，皮球最可能沿著你腳踢的方向飛出去，電子有最大的概率沿著入射光子偏振方向出射，有最小的概率垂直於偏振方向出射，方位角呈cos2分佈。如果我們能測量電子在探測器中的徑跡併計算出電子出射方向，就可以有效地測量X射線偏振。” 馮驊曾在科普性文章中寫道。

用光電效應探測X射線偏振的方法雖然在2001年就被意大利團隊提出，並吸引了歐美多個研究團隊的關注，但衛星項目皆因種種原因錯失良機。

這個“新窗口”，最終輪到中國去開啟。

馮驊從2009年起著手研究偏振測量，花了兩三年進行原理驗證，又花了兩三年進行技術優化，隨後才開始考慮真正讓衛星上天。

與商業化立方星的相遇

2017年，當馮驊與合作者已經獲得成熟版本的探測器，正是商業化立方星在中國興起的時候。

所謂立方星，是一種採用國際通用標準的低成本微小衛星，以“U”進行劃分，1U（Unit）立方星體積是10厘米*10厘米*10厘米，也可以形成2U、3U、6U甚至更大的立方星。“極光計劃”核心探測器只有火柴盒大小，非常適合成為上面的一員乘客。

“極光計劃”立方星和探測器結構示意圖

在這種想法的驅動下，馮驊團隊做出了第一版本的空間載荷研製，並在一年內完成了緊張的調試和標定，最終搭載在天儀研究院自主研發的10公斤級微小衛星平台上。

2018年10月29日，“極光計劃”搭乘“銅川一號”立方星從酒泉發射升空。

2019年7月23日，它捕捉到了蟹狀星雲脈衝星在一次自轉突變的偏振信號變化。

載人航天工程應用系統總設計師顧逸東院士表示：“’極光計劃’採用商業化立方星成功測量了蟹狀星雲及脈衝星的偏振信號，獲得脈衝星的X射線偏振隨時間變化的重要成果，同時闖出了一條低成本開展空間天文研究的創新途徑，對推動高校空間科學發展有重要意義。”

作為一門觀測驅動的科學，天文學的發展在很大程度上依賴新的飛行觀測方法和手段。

就X射線偏振探測而言，在NASA發射探測衛星之前，美國曾經使用探空火箭觀測，試圖在短短幾分鐘的曝光時間內收穫科學結果。從1968年7月到1971年2月，31個月內嘗試三次，最終在第三次才測到了蟹狀星雲的偏振。

1975年，NASA的OSO-8衛星發射，曝光時長與探空火箭相比不可同日而語，結果自然漂亮得多。

不過，那個年代的天文衛星對衛星平台要求很高，一般都是上噸級的大衛星，成本動輒達到數億美元，研發週期又長。很多科學家望而卻步，只能停留在理論驗證階段。

雖然受到載荷重量的限制，微小衛星並不能完全取代大衛星，但它們無疑可對大衛星形成良好的補充，完成登錄大平台前的驗證，正如“極光計劃”之於國際X射線天文領域未來的旗艦項目eXTP。

“這是國內研發的微小衛星第一次登上國際頂級科研期刊”，天儀研究院創始人兼CEO楊峰表示，“ ‘極光計劃’的意義一方面在於空間科學的巨大發現，另一方面來自於航天工程的巨大進步。近年來微小衛星在中國興起，為新探測技術和方法的飛行驗證提供了更多低成本的可能性。”