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宇宙猎手：中国天文学家的追星计划

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年05月18日 10:30

“全变源追踪猎人星座”（CATCH）计划是中国天文学家领导的一个前沿太空探索计划。天文学家们通常称之为“宇宙猎手”。《出色WSJ.》在北京对CATCH核心团队进行了专访。本文来自微信公众号：出色WSJ中文版（ID：WSJmagazinechina），采访、撰文：雅晴，摄影：任三克，头图来自：视觉中国

中科院的建筑群落有种上世纪机关大院的秩序感，楼宇掩映在绿植后。张双南站定在一处角落，久久注视着远处

走进中科院高能物理研究所任何一间办公室、会议室，你能看到的都是再熟悉不过的工具。一台电脑，屏幕上是一篇看到一半的论文。杯子，泡着祛火清热的茶叶。水果，年轻人从超市里买来，新鲜切块，一群人围在半空，就着一个演算图，边吃边聊。他们的世界与综艺、流量、饮食、短视频迥异，这群人记录、辩论、验证的，是隔着光年距离的外太空。

我们在中科院里穿梭，去到功能各异的实验室，记录下一颗卫星的“搭建”过程。从框架、结构、壳体到 X 射线镜头的小部件，科学正在发生

陶炼今年35岁，贵州人，说话和腿脚一样利索，戴眼镜，前额的碎发被一只黑色发箍固定在脑后。“全变源追踪猎人星座”计划（Chasing All Transients Constellation Hunters，简称CATCH）是她目前的工作重点，这个项目有一个更好记的引申之义：宇宙猎手。

作为CATCH项目的首席科学家，陶炼和她的小组成员们，致力于将这个极富创新力与想象力的科研项目落成。自2019年提出项目概念以来，国内外天文领域都抱有着谨慎的关切，美国科学院院士、时域天文学领军人物Shrinivas Kulkarni曾撂下评价：“如果你真能做出来，Game changer。”

CATCH 项目首席科学家陶炼

这是近年来中国天文领域极具前瞻性的项目，它不仅是概念思路的大胆，还包括多项科研技术的可能性突破。更重要的是，在CATCH项目的设想中，宇宙猎手将不放过外太空中任何一个角落，它或将达成全人类对宇宙认识的新突破。

什么是“宇宙猎手”？

陶炼介绍道，“现代天文学有三个重要的新兴方向，也就是时域天文学、多信使天文学和行星科学。其中时域天文学是采用多波段和多时标的方式，去研究宇宙的动态演化，核心是研究宇宙中各类天体的变化，并且希望发现和进一步研究新天体和新的变化现象，这里的新天体即包括新类型的天体，也包括已知类型的新天体。当然，这些研究的目的是帮助人们更好地理解宇宙。”

进一步解释来讲，CATCH关注的是时域天文学领域，包括短时间内突然出现又突然消失的变源天体，或者迸发出的绚烂“烟花”的天文爆发现象，如引力波、黑洞及中子星、超新星爆发、快速射电暴等，近年来天文学备受关注的天文事件均归属于时域天文学的研究范畴。

“慧眼”卫星发现距离黑洞最近的高速喷流，高能所绘制示意

科研技术的进步，使得一系列多波段、多信使巡天设备或高悬于天上，或深耕于地面，它们就像潜入深海里的探照灯一样，一圈一圈的巡逻扫视，在短时间内发现海量的变源天体或爆发现象。这里的技术漏洞是，目前世界范围内的设备并不能在发现如此多的变源天体现象后进行持续的追踪，有大量科学信息必将被遗漏，这意味着可能会错失重要的科学发现。

CATCH项目发起人和科学顾问、中科院高能所研究员、中科院大学教授张双南分享了一次科学家们的选择困难，他曾询问Shrinivas Kulkarni，如何对宇宙间的海量变源天体现象进行辨别、跟踪？这位硕果累累的科学家也很苦恼，整天都要去做选择题，通过各种各样的办法来辅助判断，才能选择出可能有意思的变源进行持续跟踪。“等于你在海里面拿了一滴水，这滴水你再怎么选择它还是一滴水对不对？所以这就很难。”张双南说。

CATCH要解决的就是这个问题，数百颗卫星组成观测星座，每个卫星上都将载有中国自主研发的新一代紧凑和轻量化的聚焦型X射线望远镜。在陶炼的概念设想中，单个卫星可以追踪观测某个或者数个变源天体，几百颗卫星可以组队，实现对海量变源的无死角无间断监测，也可以组成大视场或者高精度望远镜星座，合力观测某些重要天文事件。

CATCH示意图

陶炼向我们展示了CATCH卫星的示意图，收起时是一个正方形、蛋糕盒大小的盒子，长1米、如单反镜头似的的伸缩镜筒装置和两侧太阳帆板缓缓展开后，前端望远镜随即被推了出去，全部打开后的卫星比一张办公桌还小，造价也就是一辆豪华汽车。但是，就是这一颗小小的卫星，却可以做出重要的科学，就更别说几百颗卫星组成的观测星座了。

概括来讲，CATCH项目的数百颗卫星组成一张不见边界的巨网，时刻凝视、笼罩在一切变源天体或爆发现象的运动踪迹之上。当接收到指令信号时，它们或单独行动、或组队配合，像纪律森严的特警部队，链接宇宙天体与地球科学家之间的对话。

“宇宙猎手”工程浩大，仅基础电路板的设计就十分复杂

设想提出来，所有人心里都打鼓。在一次学术交流后张双南跟Shrinivas Kulkarni聊天，兴头上说起这个大胆的计划。见多识广的印度籍教授斩钉截铁：“不可能！”好几年才能造出来1台天文望远镜，CATCH居然想做100多个而且是放到卫星上，更不用说X射线望远镜的造价成本。张双南解释说，已有的技术的确做不到，但是我们团队花了好多年时间发展了一种新的X射线望远镜技术，还是很可能做到的。Shrinivas Kulkarni沉默了一下说，“如果你真能做出来，Game changer。”

难在哪里？

任务落在了陶炼和团队身上。从2019年提出设想至今，陶炼四处筹钱投入到CATCH星座计划试验星的研制上。目前项目难点不光是超薄、超轻材质的望远镜镜片的稳定性、实用性验证和伸缩镜筒的稳定在轨展开，还包括数百颗卫星群组之间的信息传输、沟通以及人工智能深度学习和控制等，她和团队中的二十多个科研主力一起，在数据、图表、猜想、模拟、测试、验证的繁琐工作中，摸索前行。

“等于是把天文卫星科学、望远镜的工业制造、数百颗卫星的人工智能控制等等，所有学科的东西叠加在一起，从来没有过这么复杂的项目。”张双南说。

文向阳是CATCH项目的工程负责人，我们跟随他来到中科院的一栋实验楼。穿鞋套、罩衣进出的区域内，陈列着各式各样用来工程验证的材料，能轻易辨认出来的是电路板。在一张实验台上，文向阳指着几个电路板说，“这个是我们设计的，这一个片子成本是8万多，就这一个芯片。一个电路板光元器件成本就几十万，这还算少的。”

CATCH项目工程负责人文向阳和工程顾问李正伟的日常工作状态，从基础的电路板结构入手，讨论、验证、制作卫星

与常规芯片不同的是，装载在卫星上的芯片因为使用范围窄、使用量小、考核验证试验多等原因，使得单颗芯片的造价成本要远远大于其他应用领域。另一方面，外太空的芯片要抵御空间辐射的侵害，对稳定性和可靠性的要求极高，这也决定了航天科研领域的成本居高不下。但是，CATCH会挑战这一难题。借鉴Starlink（星链）的经验，CATCH上会使用工业化的器件，借助批量化生产的优势，可以最大的降低单颗卫星的成本。

文向阳介绍，通常情况下，一颗卫星的前期工程研制验证包括几个阶段，第一阶段是电性件，指电接口、电性能、结构、尺寸等工程设计与最终卫星设计基本一致，但可以使用低等级元器件，器件相对便宜，用来验证卫星电功能和性能；第二阶段是鉴定件，此时要采用质量、特性完全相同的器件，制作出一颗高度还原的卫星工程件，用于力学、热学等空间环境的考核验证；前两个阶段顺利完成后，则进入到最终的发射卫星制作阶段。

在CATCH项目的设想中，陶炼将第一颗试验星的发射计划设定在2023年。这一方面是科研领域的时不我待，需要对宇宙天体变化的快速反应，辅助后续的科学研究；另一方面也是项目概念的另辟蹊径，它不光建立在过往所有的科研基础之上，还必须有极其强大的科研信念感、物理直觉和周密的计划。

从中国本土科研历程来看，科学研究通常伴随着无数的猜想与试验、推倒与重来，科研工作者几十年如一日，往往只能参与一二。以取得突破性进展的中国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”卫星为例，自1993年高能所提出建造X射线天文卫星想法，一路预研、论证，直到2011年国家才开始批复立项，最终在2017年完成发射，写满几代科研人的前仆后继。

采访中，张双南分享了高能所近年来的科研阶段性成果：第一阶段是国外观测数据的研究、提炼；第二阶段是天文望远镜的研制、应用，包括天宫二号空间实验室伽马暴偏振实验，“慧眼”天文卫星的研制、发射等；第三阶段是天文科研道路的革命性突破。

高能所里的“大白罐”，它适用于卫星对宇宙射线等不同物质的接收、反馈、作用等前期实验过程

CATCH项目所代表的，正是中国本土科研领域的创新性突破，陶炼和她的团队也正是在无数前辈们的科研积累基础之上，迈出了革命性的第一步。

除了科研本身，陶炼也在思考如何从科研之外的领域获得资源、资金等多方支持，打开更多可能的面向。她向我们介绍了正在进行的“宇宙猎手”英雄帖计划，希望社会各界团体或个人能以出资冠名方式资助CATCH星座计划中前10颗卫星的研制、发射和运行，成为CATCH项目的先驱，既能检验先进的望远镜技术和人工智能首次指挥一批天文卫星，又能够首次实现一批天文卫星协同获得重大天文成果，这将成为天文学的一个里程碑。

本文来自微信公众号：出色WSJ中文版（ID：WSJmagazinechina），采访、撰文：雅晴，摄影：任三克