探測X射線

蘇曉

1895年11月，德國物理學(xué)家倫琴在進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)射線管中發(fā)出了某種未知的射線。由于當(dāng)時(shí)對這種射線的本質(zhì)屬性了解甚少，所以他將其稱之為X射線。1901年第一屆諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)，倫琴就因這一發(fā)現(xiàn)而獲得了這一年的物理學(xué)獎(jiǎng)，X射線也由此被稱為倫琴射線。

倫琴的發(fā)現(xiàn)為之后的科學(xué)家開辟了一條探測X射線的艱辛之路，也大大開闊了科學(xué)家們的視野。不論是空間天文技術(shù)還是X射線探測火箭，都為人類的航空事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

空間天文技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生

在很長一段時(shí)期內(nèi)，人們只能接收天體發(fā)出的可見光，這其實(shí)是電磁輻射中極其狹窄的范圍，屬于傳統(tǒng)的光學(xué)天文學(xué)范疇。事實(shí)上，許多天體如恒星、星系等在發(fā)出可見光的同時(shí)還發(fā)出射電波、紅外線、紫外線、X射線或γ射線等。

按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)，電磁輻射（包括可見光）既具有波動(dòng)的性質(zhì)，也具有粒子的性質(zhì)，這被稱為波粒二象性。電磁輻射中的粒子稱為光子，電磁波的能量以光子的能量表示。電磁波的波長越短（頻率越高），相應(yīng)光子的能量越大。X射線的波長從10納米到0.002納米，其光子攜帶著相當(dāng)大的能量，所以天體發(fā)生的高能現(xiàn)象都伴隨著X射線（有時(shí)還有γ射線）的輻射。

地球表面覆蓋著深厚的大氣層，大氣中的各種粒子對進(jìn)入大氣的電磁波產(chǎn)生吸收或散射等作用，使除可見光、部分無線電波和小部分紅外線以外的天體輻射都難以穿透大氣到達(dá)地面。

為了克服大氣對地面觀測的限制，空間天文技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它的工作原理是應(yīng)用高空氣球、探空火箭和人造衛(wèi)星等設(shè)備運(yùn)載天文觀測儀器到大氣層外進(jìn)行觀測?？臻g天文探測的對象主要是被阻擋在大氣層之外的各種電磁波段，即γ射線、X射線、紫外線、紅外線以及射電波。

X射線探空火箭的出現(xiàn)

早期對X射線的探測工作集中于對太陽的研究，探測的工具主要是探空火箭。在這方面，美國取得了開創(chuàng)性的成果。

1948年美國海軍實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將V-2火箭發(fā)射至近百千米的高空，首先接收到來自太陽的X射線輻射。1960年，該實(shí)驗(yàn)室的布萊克等人利用“空蜂”號火箭，攜帶一架針孔直徑為0.0127厘米的照相機(jī)成功拍攝到太陽發(fā)出的X射線照片，這是人類獲得的第一張X射線照片。

20世紀(jì)60年代，高空火箭還有許多新發(fā)現(xiàn)。1962年6月，美國麻省理工學(xué)院以里卡爾多·賈科尼為首的科研組發(fā)射了一枚火箭，用以探測太陽輻射產(chǎn)生的熒光X射線輻射。6月28日，他們第一次成功地探測到太陽系之外的一個(gè)X射線源，它發(fā)射的X射線亮度比可見光亮度約大1000倍。該源被命名為天蝎座X-1，這是人類探測到的第一個(gè)太陽系外的X射線源。

此前人們一直有一種觀念，認(rèn)為太陽系之外的X射線源無法被探測到，這個(gè)發(fā)現(xiàn)徹底破除了這種錯(cuò)誤認(rèn)識。從此，賈科尼等人開創(chuàng)了太陽系外X射線天文學(xué)的發(fā)展階段，堪稱X射線天文學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)里程碑。

X射線探測衛(wèi)星升空

高空火箭的留空時(shí)間非常短暫，為了克服這一缺陷，從60年代起，已經(jīng)開始使用衛(wèi)星來探測天體的X射線輻射了。

1970年，美國發(fā)射了一顆專門用于X射線探測的“烏呼魯”（Uhuru，斯瓦希里語“自由”的意思）號衛(wèi)星。由于發(fā)射地點(diǎn)在非洲的肯尼亞，而發(fā)射日期12月12日正巧是肯尼亞的獨(dú)立紀(jì)念日，當(dāng)日該國人民為慶祝獨(dú)立高呼“烏呼魯”，所以以此來命名衛(wèi)星。該衛(wèi)星上攜帶的兩個(gè)探測器分別能達(dá)到0.5度和1度的定位精度，可以探測波長0.06納米至0.57納米的X射線輻射。

1974年，由賈科尼領(lǐng)隊(duì)的小組發(fā)表了利用“烏呼魯”衛(wèi)星對銀河系內(nèi)X射線源的巡天結(jié)果，得到了銀河系X射線源的分布圖。結(jié)果表明，絕大多數(shù)的銀河系X射線源都位于銀道面附近，它們也表現(xiàn)出向銀心聚集的傾向。“烏呼魯”衛(wèi)星在首次完成的巡天觀測中發(fā)現(xiàn)了339個(gè)X射線源，為天文學(xué)家展示了許多發(fā)射X射線輻射的不同類型的天體?！盀鹾趑敗毙l(wèi)星的發(fā)射被認(rèn)為是X射線天文學(xué)發(fā)展的第二個(gè)里程碑。

繼“烏呼魯”之后，西歐、日本和前蘇聯(lián)共發(fā)射了20多顆X射線天文衛(wèi)星。1972年8月，美國的“軌道天文臺”3號（OAO-3）發(fā)射升空，后來為紀(jì)念哥白尼誕生500周年，被命名為“哥白尼”衛(wèi)星。它攜有一架口徑81厘米的反射望遠(yuǎn)鏡，另外還攜有3架小型X射線探測器。

1974年8月荷蘭發(fā)射的“荷蘭天文衛(wèi)星”1號、1974年10月英國發(fā)射的“羚羊”5號、1975年5月美國和意大利聯(lián)合發(fā)射的“小型天文衛(wèi)星”3號、1977年8月美國發(fā)射的“高能天文臺”1號（HEAO-1）等都對天體X射線輻射的探測做出了重要貢獻(xiàn)，相繼發(fā)現(xiàn)了一批暫現(xiàn)X射線源和X射線暴源，使得至70年代末已發(fā)現(xiàn)的X射線源總數(shù)達(dá)到了1500多個(gè)。

1978年11月，美國又發(fā)射了HEAO-2衛(wèi)星。它率先使用了掠射成像技術(shù)，攜帶了第一架X射線望遠(yuǎn)鏡，其口徑為0.58米，從而產(chǎn)生了第一張由衛(wèi)星拍攝的X射線圖像。

“高能天文臺-2”衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)空前豐富，主要有：記錄到銀河系內(nèi)各種正常恒星發(fā)出的X射線；發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)類星體都是X射線源；發(fā)現(xiàn)發(fā)射X射線的球狀星團(tuán)；發(fā)現(xiàn)一個(gè)溫度高達(dá)30萬開的X射線氣環(huán)等等。

與以往的X射線天文衛(wèi)星能探測到的最暗的X射線源相比，“高能天文臺-2”能發(fā)現(xiàn)暗1000倍的X射線源。它的定位精度達(dá)到1角分，分辨角達(dá)到2角秒，可與地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相匹配?！案吣芴煳呐_-2”于1980年4月停止工作。