张臣：给“天关”卫星装上“龙虾眼”

宇宙中不仅有长期存在的天关星辰，还有各类突如其来的张臣爆发现象。这些爆发被称为暂现源，星装虾眼也被形象地称作“宇宙焰火”。上龙它们发生于天体演化的天关关键阶段，携带着宇宙、张臣星系和恒星研究的星装虾眼关键信息。中国科学院主导研制的上龙“天关”卫星，即能够捕捉这些转瞬即逝的天关“宇宙焰火”。

2月19日，张臣一项新成果作为欧洲航天局首篇基于“天关”卫星数据主导的星装虾眼论文，在《天体物理杂志快报》上正式发布。上龙自2024年1月9日发射以来，天关“天关”卫星已捕捉到多例可能的张臣新类型暂现源。“天关”卫星卓越的星装虾眼“宇宙焰火”捕捉能力，得益于其核心载荷——宽视场X射线望远镜。它也被称为“龙虾眼”望远镜。

“天关”卫星首席科学家助理、中国科学院国家天文台研究员张臣是“龙虾眼”望远镜光学系统负责人。他自豪地表示，迄今为止，国际上还没有能与我国“龙虾眼”望远镜相媲美的同类型载荷甚至样机。

“半路出家”开始研究

生物学家很早就发现龙虾眼睛结构特殊，其由许多方孔形的微型管道构成。这些管道壁光滑且指向同一球心，使得来自不同方向的光线在小方孔内反射并汇聚到龙虾的视网膜上。1979年，美国科学家从中获得灵感，提出模拟龙虾眼制造望远镜，让X射线通过反射聚焦成像。然而，由于技术难度极高，这一设想在提出后很长时间都未能实现。

2000年以来，时域天文学逐渐成为国际天文学界的前沿领域，而采用“龙虾眼”结构设计的X射线望远镜被视为推动这一领域的先进工具。

谈到如何步入“龙虾眼”望远镜的研究，张臣笑称自己是“半路出家”。

“上本科时，我学习的是核技术，而到了研究生阶段，我开始从事探测器的研究，有幸跟随张双南老师进行高能天文设备研制的相关工作。当时张双南老师认为，我国需要一个兼具超大视野和高灵敏度的‘龙虾眼’望远镜，这将极大促进我国在时域天文学领域的发展。”张臣说，“在老师的建议下，2009年，我抱着试一试的心态去做这个课题，‘半路出家’开始研究。”

张臣有在校期间在实验室动手操作的经验，拥有数据分析等方面的基础，这使他能够快速投入“龙虾眼”望远镜的研制工作。

然而，要研制“龙虾眼”望远镜并非易事。在研究之初，国内缺乏实践经验可供参考。“阅读论文是一回事，实际操作起来完全是另一回事。特别是技术类文献，它们往往不会详细描述具体的技术细节，操作过程中充满了‘坑’，需要自己亲自去跳，然后总结经验，再去尝试。”张臣说。

2010年，张臣进入中国科学院国家天文台，之后前往英国进行了为期两个月的望远镜制造系统理论学习。回国后，他逐步展开了“龙虾眼”望远镜的研制工作。但很快，张臣便发现国外已有的技术路线存在缺陷。于是，他和研发团队踏上了探索自主研发“龙虾眼”望远镜技术之路。

一年完成从生产到测试

望远镜研发的起点是顶层设计。张臣介绍，在顶层设计阶段，他和团队严格把控，为后续工作打下坚实的基石。

然而，顶层设计仅仅是破解难题的第一步，落实才是关键。在张臣看来，整个研究项目最为艰巨的任务，是要在短短一年内完成“龙虾眼”望远镜12个镜头从生产、组装到测试的全部工作，时间紧迫、任务艰巨。

镜片是望远镜的核心组件，其制造至关重要。在镜片制造方面，张臣团队与北方夜视技术股份有限公司展开了深入合作。双方携手攻克了成像光斑不圆等一系列技术难题。

组装镜头又是一大挑战。“‘龙虾眼’望远镜的镜片极为柔软，轻轻一拿就会变形。然而，镜头装配的精度要求极高，在垂直方向上，镜片间的误差必须控制在一微米以内。此外，还需充分考虑火箭发射时强烈震动对镜片稳固性的影响。”张臣说。

当时，“天关”卫星首席科学家袁为民对“龙虾眼”的研发深表担忧。他认为，以当时的技术水平，要确保仪器性能达到国际顶尖水平，并精准满足科学需求，并不容易。对于张臣而言，研发“龙虾眼”也无疑是一项艰巨的挑战。

研制任务时间紧、任务重，张臣没有太多试错机会。“为了加速研发进程，我会尽量在初期就构思出各种可能的路径和方法，然后在实践中尝试不同组合，以期尽快找到最优方案。”张臣说。

以镜头组装为例，镜片变形是一个关键问题，而变形往往源于胶接过程中胶水的收缩。由于镜头被设计成4个部分，在摸索镜片安装工艺过程中，张臣巧妙地对每个部分采用不同的胶接策略以提高工艺验证效率。

张臣和团队还搭建了一整套“龙虾眼”光学系统的自动化装调设备。该设备采用特殊设计的夹具和精密的机械手进行装配，并使用应力较小的胶水对镜片进行固定。在胶水凝固过程中，团队采取了保护措施，确保镜片稳固且不变形。同时，每个镜片的位置和指向都可进行精细调节，以保证整个光学组件的一致性。

张臣介绍，无论是镜片生产工艺、镜头设计加工还是装配流程，团队都采用了与国外不同的创新路径，并取得了显著成果。

追求精度效益无止境

“天关”卫星外形犹如一朵绽放的“花朵”，其搭载的12个“龙虾眼”望远镜仿佛12片“花瓣”。在宇宙中，这朵“花朵”静静地等候着于沉寂黑暗中偶尔绽放的“宇宙焰火”。

张臣介绍，常规的X射线聚焦望远镜的视场大概是地球上看到的月亮那么大，而“龙虾眼”望远镜的视场可达到约1.5万个月亮那么大，相当于全天面积的1/12。这意味着“龙虾眼”望远镜在国际上首次同时实现大视场全天监测和X射线聚焦成像，可高效监测天体的X射线变化。

“龙虾眼”望远镜已经是世界上最先进的望远镜之一。然而，在回顾设计、研发、发射等全过程后，张臣认为“龙虾眼”望远镜在诸多方面可以做得更好，包括镜片光学质量、镜头的装配水平，以及整体设备的软硬件设计等。

例如，在光学方面，张臣认为缩小光斑尺寸，可进一步提高望远镜的灵敏度。同时，定位精度也存在优化空间。“若能将定位精度提升至几十个角秒，甚至20个角秒以内，将极大提升天文观测效率。”张臣说，在天体密集区域，高精度定位能让科学家在繁星中迅速锁定观测目标。

张臣表示，“天关”项目已经获得国际天文界高度评价。他希望“天关”项目在未来两年内能够取得更多重大科学成果。

“科学界有这么一句话，‘多说无益，给我数据’。对于科学装备和仪器研发人员而言，不能光说不练，要拿出实验数据说话，好的观测结果才是装备仪器研发人员的奖牌。”他说。