2020年4月28日，加拿大CHIME射電望遠鏡和美國STARE2射電望遠鏡分別獨立捕捉到同一例快速射電暴FRB 200428，其方向和距離與銀河系內的磁陀星SGR J1935+2154大致相符；因此，該快速射電暴很可能源自這顆磁陀星，但仍需要更多觀測證據。幸運的是，“慧眼”衛星此前因該磁陀星進入活躍期而正在對其開展定點觀測，恰好探測到與FRB 200428相關聯的X射線暴，憑借高精度定位確認該X射線暴來自此磁陀星，并首次在國際上證認其雙脈沖結構與FRB 200428射電信號成協，從而與國際同行一道破解了快速射電暴的起源之謎。“慧眼”衛星為2020年國際十大科學突破之一的“快速射電暴來自于磁星”做出重大貢獻，但其成功帶有幸運成分——若非衛星恰好正在監測該磁陀星，歷史機遇就會錯失，這也正是傳統單星觀測模式的局限。

“慧眼”的幸運，恰恰折射出時域天文學面臨的一大困境。作為當今天文學的重大前沿方向，時域天文學的目標是“理解動態宇宙”，強調開展多波段、多信使的極端宇宙觀測研究，而暫現源（如快速射電暴、伽馬射線暴等）正是其最核心的觀測目標。近年來，國際天文界部署了一系列大型巡天望遠鏡，暫現源數目呈現爆發式增長，如革命性的薇拉·魯賓天文臺每晚預期可產生上千萬條暫現源預警。

新窗口正在開啟，但當天文學家的巡天網住了蜂擁而至的暫現源“獸群”時，卻發現根本沒有足夠的獵手去捕捉其中價值最高的獵物。

時域天文學的主要研究范式可概括為“巡天發現，后隨深挖”：巡天望遠鏡系統性地搜尋海量暫現源，后隨望遠鏡對重要目標開展多波段、多參量（時變、成像、能譜、偏振等）觀測，捕捉其動態演化，進而理解極端宇宙中的物理過程。其中，X射線觀測是貫穿這一鏈條的關鍵手段——其能直指極端宇宙中的高能物理過程，因此成為洞察《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》五大主題之一“極端宇宙”的核心探針。

然而，面對薇拉·魯賓天文臺等巡天產生的海量暫現源，全球具備后隨觀測能力的X射線望遠鏡常年維持在個位數，巡天與后隨之間出現巨大的失衡。更致命的是，現有后隨望遠鏡多為“單兵作戰”模式，無法同時追蹤多個暫現源。這意味著，絕大多數暫現源在被發現后不久便從視野中消逝，無法開展深入研究，極有可能導致錯失下一個“快速射電暴起源”級別的重大發現。

2019年，中國科學院高能物理研究所提出了“全變源追蹤獵人星座”（Chasing All Transients Con-stellation Hunters，CATCH）計劃（見圖1）。這一破局方案并非簡單增加暫現源“獵手”的數目，而是組建一支由百顆微小衛星組成的智能化天文星座，成為能自動圍獵“獸群”的“智能獵人軍團”。

把天文臺裝進微小衛星的工業化邏輯

CATCH的破局之道，始于一場“減重革命”。傳統的X射線天文望遠鏡，如大名鼎鼎的錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory，CXO）重4.8t，長13.8m，其中僅聚焦鏡組件就達1t，焦距10m。這臺旗艦天文臺運行20余載，極大推動了X射線天文學的發展，但其10億美元量級的造價和17年的研制周期，注定無法規模化部署——科研經費與發射資源有限，不可能為海量暫現源的每個觀測需求都投入如此巨大的資源。

CATCH的答案是：將天文臺裝進重僅幾十公斤的微小衛星。不是造更大的望遠鏡，而是造更多的小望遠鏡。這一看似不可能的任務，需要攻克3道難關。

首先是聚焦鏡技術的輕量化。CATCH團隊同時掌握了Wolter-I型掠入射光學和“龍蝦眼”微孔光學（MPO）兩條技術路線。若比較單位有效面積的重量，CXO的聚焦鏡約為18500 kg/m2，而CATCH的MPO技術可將其降至250 kg/m2以下，輕量化Wolter-I型則低于400 kg/m2。已發射的CATCH-1和即將發射的CATCH-2試驗星的MPO組件僅重600g，有效面積卻達到40 cm2。聚焦鏡的小型化證明了小衛星也能實現高靈敏度X射線觀測。CATCH-2試驗星的MPO組件見圖2。

其次是探測器技術的“貨架化”應用。CATCH-2采用硅漂移探測器（SDD）組成4像素焦平面陣列，其中央主探測器選用KETEK公司生產的VITUS H50型SDD，能量分辨率達到132 eV@5.9 keV，時間分辨率達微秒級。CATCH的試驗星階段直接采用經空間環境適應性篩選的商業貨架產品，配合自研電子學，避免了定制化研發的高成本與長周期。未來，CATCH將發展SDD陣列和互補金屬氧化物半導體（CMOS）等多像素探測器及相關電子學，并通過國產化和星座批量應用顯著降低單價。

最后是可展開結構與通用化快速機動平臺。CATCH衛星發射時光學系統折疊收納，入軌后伸展至數米焦距，在緊湊空間內實現長焦距高靈敏觀測。平臺具備優異的快速響應能力：1min內完成45°轉向，迅速瞄準稍縱即逝的暫現源。整個衛星采用模塊化、通用化設計，不僅大幅降低成本，還可搭載多個試驗模塊，在天文觀測之余開展空間技術驗證，實現“一星多用”。

技術突破的背后，是更深層的工業化邏輯。近年來，我國將商業航天納入戰略性新興產業，推動航天制造從“國家隊”為主向多元主體參與的產業化模式轉型。CATCH星座正是這一政策導向下的典型實踐：采用模塊化設計理念，載荷核心部件實現貨架式供應與批量化生產，衛星平臺可依托工業化批量制造體系快速搭建；測試周期大幅壓縮，年產能可達數十顆。這種模式改變了空間天文載荷“十年磨一劍”的傳統，使天文衛星從單件研制走向批量生產，提高研制效率的同時又保證了可靠性，使CATCH百顆衛星的規模化部署成為可能。

2024年6月22日，CATCH-1試驗星成功發射（見圖3），在軌驗證了SDD探測器、快速指向、人工智能（AI）模塊等關鍵技術（見圖4）。這不僅是一顆衛星的成功，更是一條可復制的技術路徑——證明空間天文觀測可以從“藝術品”走向“工業品”，從“孤品”走向“量產”。CATCH以工業化思維重構天文觀測，“把空間天文臺裝進微小衛星”的設想，正成為中國空間科學的新常態。

智能化集群

——從“單兵作戰”到“獵人軍團”

百顆衛星如何協同狩獵？這是CATCH區別于傳統任務的核心命題。“慧眼”等傳統衛星雖性能卓越，但單星運行、地面控制的特質，使其面對隨機爆發的暫現源時只能“守株待兔”，若未能恰好對準目標，機遇便稍縱即逝。而CATCH要打造的，是一支由人工智能賦能的“智能獵人軍團”。

大語言模型扮演軍團“參謀”的角色，評估每個暫現源的科學價值。每晚面對巡天望遠鏡產生的海量暫現源預警，篩選高價值目標成為關鍵。CATCH采用“星地協同”架構：地端構建天文大模型“磐石大腦”，基于海量歷史數據訓練目標識別與價值評估能力；星端部署輕量化“磐石小腦”，在軌實時運行壓縮后的模型，可以對未知暫現源進行推理，即便是全新類型的暫現源，也能判斷其科學價值，生成“是否觀測、如何觀測”的建議。衛星由此獲得自主判斷能力，不再被動等待地面指令。

多智能體協同是軍團的“戰術系統”，負責百顆衛星的分布式自主決策。每顆衛星作為獨立“獵手”，通過強化學習訓練最優觀測策略。當高價值目標出現時，系統自主決策：就近衛星迅速領命開展后隨觀測，遠距離衛星動態調整軌道待命；當多目標同時爆發時，百星實時協商，形成全局最優的觀測方案。評估與決策的循環，使觀測模式從單星地面控制走向百星自主協同，復雜任務的響應時間也能壓縮到分鐘級。

智能化集群將賦予CATCH前所未有的觀測能力。例如搜尋引力波電磁對應體：當引力波事件定位區域在一二十平方度以內時，CATCH可調動一批衛星靈活組合視場，實現對該區域的完全覆蓋，靈敏度優于大視場巡天望遠鏡。百星協同還使CATCH每天可觀測超過百顆X射線源，數量較現有衛星提升百倍，可捕捉多波段暫現源的高能輻射。通過衛星接力，CATCH可對同一目標長期不間斷觀測，將快速射電暴等短時標現象的X射線觀測頻次提升一個數量級。此外，不同衛星配置各異，多星協同可實現能譜、時變、成像、偏振的聯合測量，深入理解極端天體的吸積幾何與磁場結構。

這些能力使CATCH既能篩選目標供旗艦天文臺深入研究，也能獨立開展暫現源觀測，發現新現象、探究新物理。美國國家科學院院士史里尼瓦斯·庫爾卡尼（Shrinivas Kulkarni）評價道：“如果能做出來，將改變游戲規則。” 諾貝爾物理學獎得主、詹姆斯·韋布空間望遠鏡高級科學家約翰·C. 馬瑟（John C. Mather）評價其“將非常強大”。

人工智能與航天工程結合，使衛星星座從被動工具變為主動決策的自主系統。CATCH的智能化集群技術，還可拓展至空間碎片監測、近地小行星防御等領域，開啟空間科學的新篇章。

CATCH計劃分三步推進：CATCH-1試驗星已于2024年發射驗證關鍵技術；中法合作的先驅星座擬于2030年前后部署；百顆規模的多波段Advanced CATCH星座預計2035年后全面運行。

結語：

CATCH——空間科學的“星座方案”

從“慧眼”的幸運捕獲，到CATCH的從容應對，從單顆旗艦的漫長研制，到百星集群的快速部署，空間天文學正在經歷深刻變革。CATCH不只是一個天文任務，也是中國航天“一體兩翼”戰略的具體實踐：用空間科學發現帶動技術創新，以工業化生產降低航天成本，靠智能化集群革新觀測方式。

當《中國天文學2035發展戰略》將其納入國家觀測網絡，當國際學界評價其“將改變游戲規則”，CATCH已成為可復制的“星座方案”。百顆衛星織就的，不僅是捕捉暫現源的“天網”，更是中國航天強國建設的一條探索之路——讓每一顆微小衛星，都成為探索極端宇宙的“智能獵人”。

>End

本文轉載自“悅智網”，原標題《全變源追蹤獵人星座計劃》。

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