一眼千年
“至和元年五月己丑，出天关东南，可数寸，岁余稍没”《宋史·天文志》记载了1054年7月4日突然出现的“天关客星”，“昼见如太白，芒角四出，色赤白”。1758年，查尔斯·梅西耶在这一位置上标注了自己星表的第一个目标，蟹状星云M1。20世纪早期关于M1扩张速度的研究，确认了它是大质量恒星爆炸形成的星云，于是SN1054成了天关客星的天文学编号。望远镜发明前，漫长的文明史中，这类客星或者说暂现源的记录寥寥无几。中华文明出于对文字和历史传承的尊重而记下的天关客星，成为了对SN1054物理本质研究的重要贡献。
望远镜发明后，人类认知边界不断拓展。1967年一颗用于核爆监视的卫星Vela无意中发现了伽马爆，揭开了躁动宇宙的一角。为了避免大气对X射线的吸收，大量X射线天文卫星被发射进入太空，自此人类看到了更多的恒星爆炸，发现了中子星的合并、黑洞吞噬恒星等一系列天文事件。这些事件里，海量的能量在一瞬间（相对宇宙年龄来说）释放，产生了大量X射线光子，使得X射线成为观测这些事件最好的窗口。这些事件提供了人类目前无法企及的高能环境，是研究基础物理的最好场所之一。天关客星爆炸后形成的中子星残骸—蟹状星云脉冲星，其物态方程至今仍是物理学家最前沿的课题之一。
每一次对暂现源的发现和观测都有着发现未知的潜力，然而这些天文事件在时空中是随机出现的，因此只有瞬时视场大的设备，才能大规模发现、定位这些事件。如NASA著名的雨燕（Swift）卫星搭载的硬X射线望远镜BAT覆盖了高达全天1/6的天区，发现定位并研究了数以千计的伽马爆（暂现源的一种）。日本的X射线全天监视器（MAXI），其瞬时视场也达到了240平方度。然而天空中曾经和正在运行的X射线大视场载荷的暂现源发现能力已经逼近物理极限。
2024年1月9日，由中国科学院部署实施的爱因斯坦探针（EP）卫星在西昌卫星发射中心成功发射升空，将再次拓展暂现源发现边界的任务寄托在了其核心载荷—宽视场X射线望远镜（WXT）上。EP卫星任务标识（图 1）里“EP”两个字母被勾勒成动态的曲线，正示意了潮汐瓦解恒星（TDE）的物理过程。金牛座（天关）也被点缀其中，以纪念中华文明历史上为暂现源研究所作的贡献。
抬眼望向SN1054近乎千年后，中国EP卫星携带的WXT又会给时域天文学带来怎样的惊喜呢？
图1 EP任务标识主体是EP字母形状的黑洞潮汐瓦解恒星时物质吸积轨迹的艺术想象图，金牛座和天关星点缀其中（左图来源IAU 和 Sky&Telescope杂志；右图来源国家天文台 EP 团队）。
一步30年
人类肉眼或者常见的可见光望远镜可以轻松地将光线折射汇聚形成锐利的实像。然而对于X射线望远镜来说，聚焦成像一直都非常困难，因为X射线光子能量非常高，很难被改变方向，望远镜要么直接吸收了这些光子，要么就任由这些光子通过。已有的X射线望远镜中，半数仪器，以及全部的大视场仪器（除了EP卫星的探路者LEIA望远镜，见后文）都是基于直线光学原理的，即利用光子沿直线传播的特点，通过遮挡调制仪器的视场，从而获取入射光子的方向矢量。但准直器后端探测器无法区分收集的光子来源，在视场内，想看的目标和其他方向上的信号混杂在一起，就导致了目标弱信号被不感兴趣的强信号干扰，而无法被探测（灵敏度差），目前大视场设备无法发现绝大部分银河系外X射线暂现源的主要原因正在于此。而聚焦成像能够把一个方向或者一个目标的光子信号汇聚到焦面上一个很小的区域内，每个区域仅收集一个方向的光子信号，其它天体或本底的干扰极小，因此聚焦型望远镜在观察弱源的能力（灵敏度）上要高出同等规模的直线光学型设备一个数量级。
值得庆幸的是X射线光子在金属中的相速度略大于光速（相速度不代表光子或者能量实际传播速度，可以大于光速），金属相对真空成了光疏介质。在近乎平行（＜1°）入射到金属表面的时候（掠射），会发生全反射而轻微的改变传播方向，再将其聚焦，X射线光学因此得以实现。X射线镜头里，入射光几乎平行于反射镜面，为了提高收集光效率，一个X射线光学系统需要多个嵌套的反射面。通过特定的方式组织和排列成为X射线反射面，就有了各种各样的X射线镜头构型。
图2 左，X射线掠射原理（来源：中科院之声《“视界”那么大，我要去看看》）；右上：XMM-Newton卫星上一个X射线光学镜头，由58层镜片嵌套而成（来源：欧洲航天局网站http://sci.esa.int/xmm-newton/31318-x-ray-mirrors/）；右下：龙虾眼微孔成像器件的电子显微镜下的放大照片（来源北方夜视技术股份有限公司）。
常见的聚焦型X射线望远镜如Chandra、XMM-Newton等都是图 2右上所示的Wolter-I型构型，以嵌套的旋转抛物面和旋转双曲面作为反射面，如大小不一的水桶壁的组合。其旋转对称的结构注定存在一个中心光轴，很难实现大视场（小于一平方度），若是想用这种构型的望远镜去抓住>40000平方度范围内一闪而过的暂现源，堪比彩票中大奖。
1979年，美国亚利桑那大学Roger Angel受到龙虾眼睛结构的启发，提出了龙虾眼X射线成像光学构型，利用正交排布的方形微管道及相互垂直的光滑（要求光洁度均方根值优于1纳米）内壁对X射线进行全反射（图 3左）。由于所有微管道指向同一个球心，当光子在一个微管道相互垂直的两组壁上发生反射，汇聚到焦面上就形成了十字形的光斑（图3右中的红色十字星斑）。这样的成像系统可以实现一个理想的宽视场 X 射线聚焦成像监视器，理论上不受限制的成像视场是这种系统独一无二的魅力。
图3 左，龙虾眼光学成像光路（来源：中科院之声《视界”那么大，我要去看看 》），右：LEIA龙虾眼相机对银河的真实成像图，视场超过了300平方度（来源：国家天文台EP/LEIA团队）。
EP卫星上的两个主要天文载荷—WXT和后随X射线望远镜（FXT），全都采用了聚焦成像技术（图 4）。WXT是龙虾眼光学第一次在空间项目中的大规模应用（在轨运行的龙虾眼相机LEIA作为WXT的探路者，是EP项目的一部分）。FXT是国际先进水平的Wolter-I型X射线望远镜，由高能物理研究所和欧空局、德国马普地外物理研究所合作研制。
中国的第一颗X射线天文卫星慧眼（Insight-HXMT）于2017年发射，与1995发射的RXTE卫星和2009发射的MAXI载荷技术水平相当。EP的FXT和2019年发射的德国的eROSITA技术水平相同，而国际上至今没有能与WXT媲美的载荷甚至样机。技术上一步跨越了近30年。
图4 爱因斯坦探针卫星（来源：国家天文台）
工匠的流水线进化
整个WXT由12个模块构成，一个模块主要由龙虾眼光学镜头、CMOS探测器阵列、前端电子学、磁屏蔽、热控和支撑结构等组部件构成。对于其中的每一个组部件都是从头开始设计的。工匠精神贯穿了WXT研制的始终，对于细节的追求，WXT的研制团队做到了极致。
图5 一个WXT模块的主要结构（来源：上海技术物理研究所/国家天文台）
北方夜视技术股份有限公司（以下简称北方夜视）于2015年加入WXT团队，承担了龙虾眼光学器件自主研制的任务。其生产的镜片光学质量稳步提升，部分性能达到了世界领先水平（图 6）。国家天文台光学团队将自有光学设计、测试、数据处理的经验全部融入到给北方夜视研制的两套自动化检验设施中，并通过分析测试结果不断提出产品质量改进的方向。北方夜视不计成本，分批生产了万余片龙虾眼镜片，在批量化检验设施7*24小时不间断自动高效运行的情况下，完成了正样所需的500余片镜片的筛选。自动化设备产生的数万条镜片测试数据由团队人工反复复核，所有正样镜片参数零错误。在国外镜片焦距参数散布约为10%的时候，国产镜片已达到0.5%的水平。
图6 国产MPO镜片光学性能演进图（来源国家天文台和北方夜视技术股份有限公司）
光学组件的装调，即把镜片高精度、无应力变形地装配到镜框上，是光学镜头生产的关键步骤。在国台X射线实验室，装调设施历经手动、半自动阶段，最终演进到具备适应不同参数的全自动阶段，在一年时间内流水化作业完成了12套光学镜头（图7）的研制和标定工作。英国莱斯特大学的Paul O’Brien教授对我们团队的这种“中国速度”表示惊叹和不可思议。
图7 EP-WXT最后一个光学镜头完成装调（来源：国家天文台）
两个WXT镜头于2021年7月和2022年10月送到了德国马普地外物理研究所，在PANTER标定设施中完成了标定和测试（图 8）。其测试结果表明WXT聚焦镜的性能优于美国NASA的类似设备。
图8国产龙虾眼聚焦镜及其测试结果（图片和数据均源于德国马普地外物理研究所Panter标定设施团队的公开文献）
与宽视场光学镜头相配合的还有国际上首次应用于X射线天文观测的CMOS探测器件阵列。WXT的CMOS器件阵列每秒钟将产生22 GB、150亿像素的海量数据，在线数据处理系统需要每秒钟从150亿个像素中提取约1000个有效像素信息。能做到这一点，一方面依靠上海技术物理研究所团队成员在CMOS系统上数十年的工程开发经验。研制过程中，CMOS芯片的工作参数历经数次调整，前端电路板的设计生产数次推倒重来，为实现最好的设备，技物所团队默默坚持了下来；另一方面国台团队技术人员前期一帧一帧、一个像素一个像素检查CMOS数据，点滴积累CMOS在X射线探测方面的使用经验。一面工程，一面技术，两个研究所团队的亲密无间的合作，才催生了目前最大的空间X射线CMOS探测器阵列。
图9 地面测试中，一个CMOS芯片一帧1600万像素中提取的约90个像素信息形成的龙虾眼X射线成像图像。（图片和数据均源于国家天文台）
WXT负责人上海技术物理研究所的孙胜利院士曾经对团队成员们说：“我不担心你们能做一个最好的模块，我希望正样12个模块都能全部高质量的完成”。把研制单个模块时的工匠精神，延续到流水作业的批量化生产中，通过自动化、标准化地控制，WXT 12个模块的质量全部超越了初样鉴定件。
2022年7月， WXT的一个模块作为EP探路者搭载中国科学院“创新X”系列试验卫星首星上天，后命名为LEIA（Lobster Eyes Imager for Astronomy），观测视场可达340 平方度（18.6度×18.6度），成为国际上首个宽视场X射线聚焦成像望远镜。其视场大小比国际上传统的聚焦望远镜提高了至少100倍。目前LEIA已探测到三百多个X射线源，取得了初步的科学成果。
北京时间2024年1月9日15时03分，我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭，成功将爱因斯坦探针卫星发射升空。星箭分离后，卫星展开了太阳能帆板，一切按照预定程序顺利进行。EP卫星将利用半年左右的时间，完成载荷开机准备、在轨性能测试和标定，之后，WXT将开展常规在轨观测。
图 10 EP卫星由长征二号丙运载火箭送入太空（图片来源：新华社）
EP首席科学家袁为民研究员说：“EP是宇宙天体爆发的捕手，能精准捕捉到更加遥远和暗弱的暂现源和剧烈爆发天体，探寻来自引力波源的X射线信号，对研究恒星活动、黑洞和中子星等致密天体的形成、演化、并合等过程具有重要科学意义。”
星海先锋WXT，将会探索到什么样的宇宙未知，会发现什么样的精彩呢？让我们拭目以待。
张臣，中国科学院国家天文台研究员，X射线成像实验室（XIL）技术负责人，EP卫星首席科学家助理、国台宽视场X射线望远镜（WXT）研制任务负责人，中国科学院青促会优秀会员。研究方向为空间天文技术与方法，主攻 X 射线光学系统和探测技术的设计与研发。在国内首次掌握了国际上新颖的微孔（Micro-pore Optics，MPO）X射线成像技术，推动并实现了该技术的国产化。
