“偏振”和波长都是电磁波的基本属性之一。3D眼镜，运用的便是偏振原理。

在天文领域，X射线偏振是具有重要科学价值的独特的天体物理探针，是研究黑洞、中子星等高能天体的重要工具。

1968年，美国科学家率先开展了天文X射线偏振探测，于1971年在一次探空火箭实验中见到了成功的希望，并在1975年发射的OSO-8卫星上完成了第一次精确测量，这次测量发现了蟹状星云的X射线辐射具有高度线偏振，起源于同步辐射。

然而，由于上一代技术的局限性，其探测效率和灵敏度低下，天文X射线偏振探测在这次实验之后便陷入了停滞。

2009年，清华大学冯骅教授带领团队开始对X射线偏振探测技术进行探索和改进，在国际合作的基础上历经多年技术积累，在实验室里研制出了高灵敏度低系统误差的软X射线偏振仪。2018年10月29日，清华大学主导的空间天文项目“极光计划”发射升空。同年12月18日，“极光计划”的探测器投入运行，成功探测到了空间软X射线。

一年半之后，《自然·天文》杂志于2020年5月11日封面刊登的一篇文章，将冯骅课题组与合作者共同完成的最新成果昭告世人：经过近1年的观测，X射线偏振探测器探测到来自蟹状星云及脉冲星的软X射线偏振信号，并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中软X射线偏振信号的变化，说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。

这一探测结果也标志着，由于技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。

传统技术瓶颈困扰40多年

X射线是电磁波的一种。“根据能量高低的不同，几千电子伏特的X射线称为软X射线。我们希望在软X射线波段看宇宙的奥秘，偏振是一个新的探测维度。”清华大学天文系教授冯骅解释，黑洞、中子星这类非常极端的天体，虽然光学辐射很弱，却是很强烈的X射线辐射体。由于X射线波长非常短，不存在像可见光偏振片那样合适的滤镜，所以X射线偏振的测量极其困难。但利用X射线偏振测量，能够获得高能辐射区域磁场方位、天体的几何对称性，从而进一步理解与黑洞、中子星等密切相关的天文现象的物理过程发生机制，对高能天体物理而言意义重大。

早在1968年，美国科学家就率先开展了天文X射线偏振探测，并在1971年发射的探空火箭上完成了247秒的曝光，第一次发现蟹状星云的X射线辐射可能具有高度线偏振，并在1975年上天的OSO-8卫星上完成了首次精确测量。

然而，40多年过去了，科学家们不断论证X射线偏振的用处，预言探测偏振对天体物理的科学价值，却再也没有第二个X射线偏振探测设备在空间运行。探测灵敏度不足，被认为是X射线偏振技术的主要瓶颈之一。

技术转机出现在2001年。随着核探测技术的发展，意大利科学家证实了一种新型粒子探测技术可用于高灵敏度软X射线偏振测量。

2009年，清华大学教授冯骅带领团队，在国际合作的基础上，对软X射线偏振探测技术进行探索和改进。

探测器寿命从30分钟提高到5-10年

冯骅介绍，在实验室研究阶段，团队的目标是“做出能够满足空间应用需求的长寿命、高性能”的探测器。这种新型X射线偏振探测器，外形像一个火柴盒，传感器面积大概相当于一枚硬币。“X射线通过铍窗进入探测器，与探测气体发生光电效应产生光电子。通过测量光电子穿过气体留下的二维径迹，就能推断出入射X射线的偏振信息。”冯骅说。

然而，单是将探测气体密封在“火柴盒”内，实现长期稳定的工作性能，就花了团队整整两年时间。

实验初期做出的探测器，总是在短时间内就被烧坏——核心部件气体电子倍增器因高压放电被击穿。在着急忐忑却找不到性能下降的原因时，冯骅曾经告诉团队，做实验的时候不要害怕“搞破坏”，“弄坏东西并找到原因说明你的尝试有效果。”

通过反复的测试研究，气体纯度这一“罪魁祸首”被发现。冯骅说，由于探测器是一个密闭环境，当纯净的探测气体充入后，探测器结构材料表面吸附的杂质气体会慢慢释放，使得探测气体纯度下降，从而引起性能衰减，严重时就会“烧毁”探测器。

掌握“闭气型气体探测器的封装技术”，需要多学科合作。为解决超高真空技术，团队请教过中国计量科学研究院和校内凝聚态物理方面的专家；结构材料方面的问题，团队参考航空航天材料标准，经过再三测试对比，筛选出满足结构强度的、极低出气率的材料；探测器封装环境方面有差距，团队则搭建超净室、烘烤除气，想方设法降低杂质成分；还找到专属研究院进行气体提纯，将气体纯度从市面上常见的99.9%提高至99.999%……

至此，团队迈出重要一步：成品探测器实现了长寿命的要求，从最初只有约30分钟的工作寿命，到封好之后5-10年性能都不会改变。

2017年，团队高灵敏度、低系统误差的X射线偏振探测器在实验室研制成功，并且通过了一系列空间环境模拟试验的检验。

探测近一年，捕捉到脉冲星信号

冯骅团队的探测器研制成功的同一年，商业航天在中国兴起，这为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多可能性，由清华大学牵头研制的空间实验于这一年“极光计划”应运而生。

2018年10月29日，“极光计划”的微纳卫星搭载“铜川一号”立方星，从酒泉卫星发射中心成功发射到近地轨道上。11月6日，探测器加电自检成功。经过多轮调试，12月18日开启高压投入运行，工作状态正常。

2019年3月，探测器进入常规观测，盯准了蟹状星云脉冲星。似“时钟”般运转精确的脉冲星常会在某一个时间点发生一次自转周期突变，然后慢慢恢复，这种自转突变是一种有待研究的天文现象。7月23日，蟹状星云脉冲星的自转突变。“极光计划”随之捕捉到X射线偏振状态的改变。

“我们观测到，经过几十天，脉冲星的偏振信号又慢慢恢复，这一新的发现有助于理解脉冲星、也就是中子星的内部结构。”团队研究成员李红表示，他们将该成果提交给《自然·天文》杂志后，审稿人评价其为“高能天体物理领域期待已久的成果”。

但不为外界所知的是，数据的处理和解释，曾让团队颇费了一番功夫。

“在偏振计算之外，我们还需折叠出蟹状星云的脉冲相位。蟹状星云的脉冲约为33毫秒一个周期，为了提高信噪比，我们需要把所有观测数据按脉冲周期叠加后得出结论。”研究成员龙翔云介绍。经过4周程序设计，团队终于完成时间矫正。

“观测中的惊喜，来源于我们的步步积累。”龙翔云说，蟹状星云脉冲星之外，探测器对人类发现的第一个宇宙X射线源“天蝎座X-1”也有一些数据积累，并将纳入下一步工作计划。

来源：科技日报