历史是有趣的，有时候时势造英雄，英雄却无用武之地。偏振测量是x射线天文学最早探索的方向之一，却成为最晚打开的窗口。守得住四十年的寂寞，是因为期盼云开月明的一天。这四十年发生了什么，又有何感悟？
（图源：isdc.unige.ch）
撰文 | 冯骅（清华大学天文系）
编辑 | 韩越扬
序言：兴起
1949年，科学家首次利用探空火箭测量到来自太阳的x射线辐射，让原本被大气层遮挡的射线变成人类了解宇宙的探针。1962年，原本为了研究太阳x射线在月亮表面的反射，美国科学家却意外发现来自太阳系外的天体x射线辐射，宣告x射线天文学元年。
1970年，第一个专门的x射线天文探测卫星升空，取名uhuru，来自非洲语言，意为“自由”。从此，x射线天文进入了加速通道，einstein、rosat、asca、rxte、bepposax、xmm-newton、chandra……一系列x射线天文卫星前赴后继，向宇宙中最极端的物理环境发出探索的号角。2017年，历经20多年研制，中国第一个专门的x射线天文卫星“慧眼”升空，中国天文学家终于拥有了自己的“重器”。从1962年的第一道曙光到二十一世纪的辉煌，x射线天文在一次次技术革命中向前迈进，每次技术升级都带来科学上的飞跃。高分辨率聚焦成像不仅使人们看清了喷流、超新星遗迹的结构，更让望远镜的灵敏度达到了史无前例的高度，足以窥视远古的宇宙；x射线ccd及光栅谱仪的应用让一条条原子谱线跃然纸上，把黑洞附近的物质运动拍摄得栩栩如生；超大面积的探测器仿佛是一把听诊器，将中子星每秒上千次的“心跳声”听得清清楚楚。成像，是对光子方向的测量与统计；能谱，是对光子能量的测量与统计；时变，是对光子达到时间的测量与统计。然而，作为光子基本属性之一的“偏振”却貌似被天文学家遗忘了——但事实并非如此。第一序章：黄金年代
仅仅在x射线天文起步后的6年，来自美国哥伦比亚大学的科学家们在robert novick教授的带领下，就试图开启这一维度的天文测量。1968年7月27日，一枚携带散射偏振仪的探空火箭从美国白沙导弹试验场升空，对人类发现的第一个宇宙x射线源“天蝎座x-1”进行了x射线偏振观测，但短短几分钟的曝光并没有带来有用的科学结果。1969年3月7日，第二次火箭发射，目标改成了蟹状星云，仍然无功而返。1971年2月22日，第三次火箭实验启动。与前两次不一样的是，这次在散射偏振仪的基础上增加了一个布拉格衍射偏振仪。虽然只有247秒的曝光，但第一次测到了天体的偏振——蟹状星云的x射线辐射具有高度线偏振，证实了其同步辐射机制。
图1. 1971年火箭实验团队。这次实验完成了天文x射线偏振测量的第一次突破。左1为robert novick教授，当时哥大天体物理实验室主任，左3为martin weisskopf，当年刚入职哥大不久。（图源：参考文献[1]）
31个月内3次飞行实验，让一个学科分支从无到有走上了历史舞台。每当回忆起这段历史时，martin weisskopf经常感叹说，“那是空间天文学的黄金年代”。当时，他刚刚博士毕业成为哥大一位年轻教授。今天，他已经是x射线天文领域一位举足轻重的领导者。当年，人类刚把第一个x射线天文卫星送上天工作。那时候，高精度成像、高分辨光谱、大面积光变测量仿佛都是“遥远的未来”。x射线偏振出手不凡，获得了先机。在成功的火箭实验和novick教授的不懈努力下，一台精心设计的布拉格偏振仪装上了卫星，试图开启这个测量的新窗口。1975年7月21日，载着偏振仪的第8个轨道太阳天文台（oso-8）上天了。相比火箭，卫星长时间曝光的优势显露无疑。对蟹状星云的再次观测，获得了史无前例的高精度偏振测量结果，令人振奋。良好的开端，是成功的一半。原本故事到这里，差不多已经预言了一个圆满的结局。但事非人愿，这台仪器除了蟹状星云，竟没能在第二个天体中获得正面的测量。后续40多年的天文卫星中，也没有第二台专门的x射线偏振仪。这次开山之作竟成了关门之作！第一代x射线偏振仪使用的技术基于汤姆逊散射或布拉格衍射。这两者有一个共同点，只能在天体辐射的大量光子里提取一小部分，从而导致效率低下，灵敏度不高，无法对更弱的源开展有效测量。即便如此，天文学家仍然在oso-8的成功基础上利用第一代技术进行了大量努力和尝试。einstein卫星是第一个x射线成像卫星，最初的设计中有偏振测量设备，但因为经费缩减被弃用。chandra最初也讨论过装配偏振仪，但并未被采纳。离成功最近的一次是一个叫stellar x-ray polarimeter (sxrp) 的偏振仪，在完成了大量标定和测试后安装在一个苏联天文卫星上，但时运不济，由于苏联解体一直没有被发射。随着时间的推移，成像、能谱、时变这三个测量维度越做越好。与之相比，第一代偏振探测方法的灵敏度相形见绌，也就逐渐退出了历史舞台。第二序章：希望
事情的转机出现在2001年。那一年，在enrico costa的提议下，ronaldo bellazzini领导的小组在意大利比萨的一个实验室里，用一类新型的探测技术搭建了一个精密小巧的气体径迹室，可以用来测量能量只有几个kev的电子径迹。这些径迹长度只有几毫米，所以必须有百微米的测量精度才能看清。这一技术突破，为x射线偏振测量带来了新的希望——让基于光电效应的偏振测量变成可能。在x射线天文的标准波段，光子能量为几个kev，它们跟物质相互作用的主要机制是光电效应。因此，基于光电效应的探测方法大大提高了探测效率，解决了布拉格衍射和汤姆逊散射与生俱来的问题。不仅如此，由于光电子在探测器中的作用区域小，几何效应导致的系统误差也被极大抑制。一种近乎理想的探测技术应运而生。
图2. 2001年，一篇文章让天文x射线偏振测量重燃希望。左图是文中使用的探测器结构示意图，显示了如何探测一个x射线光子激发的光电子在探测器中留下的电荷径迹（红色）。中图是实测的光电子径迹。右图是无偏和有偏源产生的信号差别，展示了新技术的威力。（图源：参考文献[2]）
在新技术的鼓舞下，各国科学家提出了下一代x射线偏振望远镜项目。其中首先获得国家立项的是nasa的gems项目。同样是基于光电效应和电子径迹成像，gems采用了与意大利类似但不太一样的技术路线。2008年，gems入选nasa小型探索类（smex）项目phase a研究。一般而言，phase a阶段进行概念研究和技术发展，进入phase b才算真正工程立项。2009年，gems正式立项入选phaseb研究，计划在2014年发射。令人意外的是，在2012年的确认评审中，gems因为预算超支与技术研发延期被取消。这个决定，或多或少可能跟当时nasa的大背景有关。一般情况下，类似科学目标和技术手段的天文卫星不会被重复立项，所以gems的取消给欧洲科学家带来机会。2015年6月，在欧空局（esa）的第4期宇宙愿景中型项目征集中，意大利科学家牵头提出的xipe成功入选phase a研究。2015年7月，nasa开始征集新一轮smex项目，意外的是，居然有两个x射线偏振项目入选phase a研究。一个是之前gems的延续，取了新名字叫praxys，另一个名叫ixpe，不仅在名字上和esa的xipe类似，技术方案也几乎一样，因为偏振探测器由同一个意大利实验室提供，甚至相当一部分建议人是相同的。ixpe的首席科学家不是别人，就是上文提到的martin weisskopf，当年oso-8实验中的年轻人。nasa的做法明显可以看出天文界对x射线偏振的厚爱和期望。两个主流空间局同时选了3个x射线偏振望远镜进入phase a，感觉幸福来得太突然。但对于欧洲人，一种不祥的预感也顶在头上。nasa虽然启动晚，但是smex的phase a结束得早，这就意味着，nasa将抢先esa宣布立项结果，无论哪个偏振望远镜入选，都将影响esa对项目的判断。2017年1月，nasa宣布遴选结果，ixpe成功立项，预期在2021年发射。果不其然，xipe在同年11月esa组织的遴选中谢幕离场。平心而论，xipe从各方面看都是最强的候选者，究竟是造物弄人，还是当年的选择？x射线偏振同时也被中国天文学家青睐。2009年，中科院高能所张双南研究员领导提出了x射线时变和偏振探测卫星，即xtp，作为慧眼卫星的后续项目。几年后，欧洲科学家对xtp表示出极大的兴趣，希望能合并他们之前提出的另一个项目loft，形成一个中国领导的中欧合作项目——增强型x射线时变和偏振探测卫星extp，最终在2016年达成共识。extp目前获得了良好支持，预期在2027年发射。相比ixpe，extp不是单一的偏振望远镜，面积更大，灵敏度更高，涉及的科学目标也更广泛。
图3. nasa ixpe项目与中欧合作extp项目的示意图。（图源：左：参考文献[3]，右：参考文献[4]）
第三序章：新窗口
2001年，新方法获得验证，天文学家大声宣布，将打开x射线偏振测量这一“未来新窗口”；2009年，gems立项，天文学家又大声宣布将打开“未来新窗口”；2017年，ixpe立项，天文学家还在大声宣布……xipe的首席科学家paolo soffitta一度跟我说，“现在都不敢再用新窗口这个词了”。2009年开始，我们开始在实验室里发展偏振探测方法。到了2017年，在跟意大利合作的基础上，我们已经有了成熟的偏振探测器。那一年，非常凑巧的是，商业航天在中国开始悄悄兴起，若干个生产立方星的民企落地生根。我们的偏振探测器恰好体积小、重量轻，为什么不能用立方星进行在轨技术验证呢？是不是还能进行科学观测？在这样的想法驱动下，2017年国庆前，我们完成了第一版本的空间载荷研制，在一年的紧张调试和标定后，终于在2018年10月29日，搭载在天仪研究院的立方星上发射上天，取名“极光计划”，这是继oso-8偏振仪后天文领域第一个专门的软x射线偏振仪。11月6日，探测器加电自检成功。12月18日，开启高压投入运行，成功探测到了第一个信号，说明探测器工作状态正常。那一刻，悬着的心终于放下。2019年3月，探测器进入常规观测，盯准了蟹状星云。时至今日，在轨飞行了1年之后，我们已经积累了蟹状星云和脉冲星的大量观测数据，期望再度打开这关闭了40年的“新窗口”。接踵而来的，将是紧张的数据分析、物理解释和结果发表。
图4. 2018年10月，极光计划x射线偏振探测器搭载在立方星上发射，至今仍在轨工作。（图源：参考文献[5]）
极光计划的探测器有多大呢？有效面积大概0.16平方厘米，相当于一粒黄豆。就是这么小的探测器，瞄准一个单一的科学目标，经过夜以继日的观测，居然可以做前沿的科学研究，证明了立方星的科学价值。大型的通用天文台毫无疑问是天文利器，可是有时候某些科学问题需要对一个科学目标进行长期的跟踪与观测。利用特定的科学方法研究某个高度定制的科学目标，这类问题恰好可以通过立方星的手段来弥补。不仅如此，立方星还是一个有用的学生训练工具。还记得上文martin weisskopf的感叹吗？他的后一句话说的是，当下的卫星越做越大，研制周期越来越长，对学生能力的培养越来越专，但缺乏了70年代那种可以结合科学与仪器、物理与工程的综合能力训练。极光计划从研制与标定、运行与观测、数据分析与发表的周期来看，恰好适合培养一名博士生，正是培养综合能力人才不可多得的博士课题。极光计划证明了第二代x射线偏振探测技术的强大能力。四十多年的苦旅，一次又一次的失败，终于迎来了充满希望的明天。在不久的未来，期待ixpe尤其是extp为x射线天文学带来新的辉煌。参考资料
[1] weisskopf, m.2008, arxiv:0908.2438.
[2] costa, e., etal. 2001, nature, 411, 662.
[3] https://ixpe.msfc.nasa.gov/.
[4] https://www.isdc.unige.ch/extp.
[5] feng, h., et al.2019, exp. astron., 47, 225.
冯骅，清华大学天文系教授。本科、博士毕业于清华大学工程物理系，曾在美国爱荷华大学从事博士后研究，2008年底回清华大学任教。主要研究方向是高能天体物理与空间天文。
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