宇宙中不僅有長期存在的天关星辰，還有各類突如其來的张臣爆發現象。這些爆發被稱為暫現源，星装虾眼也被形象地稱作“宇宙焰火”。上龙它們發生於天體演化的天关關鍵階段，攜帶著宇宙、张臣星係和恒星研究的星装虾眼關鍵信息。中國科學院主導研製的上龙“天關”衛星，即能夠捕捉這些轉瞬即逝的天关“宇宙焰火”。

2月19日，张臣一項新成果作為歐洲航天局首篇基於“天關”衛星數據主導的星装虾眼論文，在《天體物理雜誌快報》上正式發布。上龙自2024年1月9日發射以來，天关“天關”衛星已捕捉到多例可能的张臣新類型暫現源。“天關”衛星卓越的星装虾眼“宇宙焰火”捕捉能力，得益於其核心載荷——寬視場X射線望遠鏡。它也被稱為“龍蝦眼”望遠鏡。

“天關”衛星首席科學家助理、中國科學院國家天文台研究員張臣是“龍蝦眼”望遠鏡光學係統負責人。他自豪地表示，迄今為止，國際上還沒有能與我國“龍蝦眼”望遠鏡相媲美的同類型載荷甚至樣機。

“半路出家”開始研究

生物學家很早就發現龍蝦眼睛結構特殊，其由許多方孔形的微型管道構成。這些管道壁光滑且指向同一球心，使得來自不同方向的光線在小方孔內反射並匯聚到龍蝦的視網膜上。1979年，美國科學家從中獲得靈感，提出模擬龍蝦眼製造望遠鏡，讓X射線通過反射聚焦成像。然而，由於技術難度極高，這一設想在提出後很長時間都未能實現。

2000年以來，時域天文學逐漸成為國際天文學界的前沿領域，而采用“龍蝦眼”結構設計的X射線望遠鏡被視為推動這一領域的先進工具。

談到如何步入“龍蝦眼”望遠鏡的研究，張臣笑稱自己是“半路出家”。

“上本科時，我學習的是核技術，而到了研究生階段，我開始從事探測器的研究，有幸跟隨張雙南老師進行高能天文設備研製的相關工作。當時張雙南老師認為，我國需要一個兼具超大視野和高靈敏度的‘龍蝦眼’望遠鏡，這將極大促進我國在時域天文學領域的發展。”張臣說，“在老師的建議下，2009年，我抱著試一試的心態去做這個課題，‘半路出家’開始研究。”

張臣有在校期間在實驗室動手操作的經驗，擁有數據分析等方麵的基礎，這使他能夠快速投入“龍蝦眼”望遠鏡的研製工作。

然而，要研製“龍蝦眼”望遠鏡並非易事。在研究之初，國內缺乏實踐經驗可供參考。“閱讀論文是一回事，實際操作起來完全是另一回事。特別是技術類文獻，它們往往不會詳細描述具體的技術細節，操作過程中充滿了‘坑’，需要自己親自去跳，然後總結經驗，再去嚐試。”張臣說。

2010年，張臣進入中國科學院國家天文台，之後前往英國進行了為期兩個月的望遠鏡製造係統理論學習。回國後，他逐步展開了“龍蝦眼”望遠鏡的研製工作。但很快，張臣便發現國外已有的技術路線存在缺陷。於是，他和研發團隊踏上了探索自主研發“龍蝦眼”望遠鏡技術之路。

一年完成從生產到測試

望遠鏡研發的起點是頂層設計。張臣介紹，在頂層設計階段，他和團隊嚴格把控，為後續工作打下堅實的基石。

然而，頂層設計僅僅是破解難題的第一步，落實才是關鍵。在張臣看來，整個研究項目最為艱巨的任務，是要在短短一年內完成“龍蝦眼”望遠鏡12個鏡頭從生產、組裝到測試的全部工作，時間緊迫、任務艱巨。

鏡片是望遠鏡的核心組件，其製造至關重要。在鏡片製造方麵，張臣團隊與北方夜視技術股份有限公司展開了深入合作。雙方攜手攻克了成像光斑不圓等一係列技術難題。

組裝鏡頭又是一大挑戰。“‘龍蝦眼’望遠鏡的鏡片極為柔軟，輕輕一拿就會變形。然而，鏡頭裝配的精度要求極高，在垂直方向上，鏡片間的誤差必須控製在一微米以內。此外，還需充分考慮火箭發射時強烈震動對鏡片穩固性的影響。”張臣說。

當時，“天關”衛星首席科學家袁為民對“龍蝦眼”的研發深表擔憂。他認為，以當時的技術水平，要確保儀器性能達到國際頂尖水平，並精準滿足科學需求，並不容易。對於張臣而言，研發“龍蝦眼”也無疑是一項艱巨的挑戰。

研製任務時間緊、任務重，張臣沒有太多試錯機會。“為了加速研發進程，我會盡量在初期就構思出各種可能的路徑和方法，然後在實踐中嚐試不同組合，以期盡快找到最優方案。”張臣說。

以鏡頭組裝為例，鏡片變形是一個關鍵問題，而變形往往源於膠接過程中膠水的收縮。由於鏡頭被設計成4個部分，在摸索鏡片安裝工藝過程中，張臣巧妙地對每個部分采用不同的膠接策略以提高工藝驗證效率。

張臣和團隊還搭建了一整套“龍蝦眼”光學係統的自動化裝調設備。該設備采用特殊設計的夾具和精密的機械手進行裝配，並使用應力較小的膠水對鏡片進行固定。在膠水凝固過程中，團隊采取了保護措施，確保鏡片穩固且不變形。同時，每個鏡片的位置和指向都可進行精細調節，以保證整個光學組件的一致性。

張臣介紹，無論是鏡片生產工藝、鏡頭設計加工還是裝配流程，團隊都采用了與國外不同的創新路徑，並取得了顯著成果。

追求精度效益無止境

“天關”衛星外形猶如一朵綻放的“花朵”，其搭載的12個“龍蝦眼”望遠鏡仿佛12片“花瓣”。在宇宙中，這朵“花朵”靜靜地等候著於沉寂黑暗中偶爾綻放的“宇宙焰火”。

張臣介紹，常規的X射線聚焦望遠鏡的視場大概是地球上看到的月亮那麽大，而“龍蝦眼”望遠鏡的視場可達到約1.5萬個月亮那麽大，相當於全天麵積的1/12。這意味著“龍蝦眼”望遠鏡在國際上首次同時實現大視場全天監測和X射線聚焦成像，可高效監測天體的X射線變化。

“龍蝦眼”望遠鏡已經是世界上最先進的望遠鏡之一。然而，在回顧設計、研發、發射等全過程後，張臣認為“龍蝦眼”望遠鏡在諸多方麵可以做得更好，包括鏡片光學質量、鏡頭的裝配水平，以及整體設備的軟硬件設計等。

例如，在光學方麵，張臣認為縮小光斑尺寸，可進一步提高望遠鏡的靈敏度。同時，定位精度也存在優化空間。“若能將定位精度提升至幾十個角秒，甚至20個角秒以內，將極大提升天文觀測效率。”張臣說，在天體密集區域，高精度定位能讓科學家在繁星中迅速鎖定觀測目標。

張臣表示，“天關”項目已經獲得國際天文界高度評價。他希望“天關”項目在未來兩年內能夠取得更多重大科學成果。

“科學界有這麽一句話，‘多說無益，給我數據’。對於科學裝備和儀器研發人員而言，不能光說不練，要拿出實驗數據說話，好的觀測結果才是裝備儀器研發人員的獎牌。”他說。