美國“錢德拉X射線天文臺”淺析

吳耀軍 帥平 （錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室）

為了對宇宙天體進行全波段、全方位觀測，以全面了解宇宙、星系乃至太陽系的形成與演化，美國提出了大天文臺計劃?！板X德拉X射線天文臺”（CXO，簡稱“錢德拉”）作為大天文臺計劃的一部分，主要用于觀測宇宙高能區(qū)域輻射的X射線，從而捕捉超新星爆發(fā)的遺跡，發(fā)現(xiàn)未知天體，并了解宇宙的結(jié)構(gòu)和演變。

1 美國大天文臺計劃

1979年，美國國家科學(xué)研究委員會發(fā)布《80年代美國空間天文學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略》，首次提出了大天文臺的概念。美國大天文臺計劃是利用4個覆蓋整個電磁波譜不同波長范圍（γ射線、X射線、可見光和紅外）的空間科學(xué)觀測平臺進行天文觀測，而且通過合理安排觀測任務(wù)可以在同一時期對同一個天體目標進行不同光譜段的觀測，實現(xiàn)對目標天體全光譜段成像，全面獲得目標天體的輻射光譜信息，從而了解宇宙的廣袤無垠和絢麗多姿。

大天文臺計劃的4臺空間望遠鏡分別以哈勃、康普頓、錢德拉和斯皮策四位美國科學(xué)家的名字命名，分別為“哈勃空間望遠鏡”（H ST，簡稱“哈勃”）、“康普頓γ射線天文臺”（CGRO，簡稱“康普頓”）、“錢德拉”和“斯皮策空間望遠鏡”（SST，簡稱“斯皮策”）。

1）“哈勃”是大天文臺計劃的第1顆衛(wèi)星，于1990年發(fā)射，主要在可見光、紫外線、近紅外線波段對天體進行觀測，搭載的科學(xué)設(shè)備包括廣域和行星照相機、戈達德高解析攝譜儀、高速光度計、暗天體照相機和暗天體攝譜儀，主要科學(xué)研究內(nèi)容為宇宙年齡、恒星形成、恒星死亡、黑洞和宇宙學(xué)。

2）“康普頓”是大天文臺計劃的第2顆衛(wèi)星，于1991年發(fā)射，主要用于觀測天體的γ射線輻射，搭載的科學(xué)設(shè)備包括爆發(fā)和瞬變源試驗設(shè)備、定向閃爍光譜儀、康普頓成像望遠鏡和高能伽瑪射線望遠鏡。該衛(wèi)星在兩次巡天過程中對蟹狀星云、天鵝座X-1、天鵝座X-3、銀河系中心和超新星1987A等進行了觀測，主要的科學(xué)觀測成果包括：1991年觀測了太陽的耀斑爆發(fā)；1991年發(fā)現(xiàn)了第4顆伽瑪射線脈沖星PSR1706－44；探測到了天鵝座X-3輻射的1012eV高能輻射和超新星1987A輻射的1015eV高能輻射；記錄了約2500個γ射線暴。

各天文臺觀測能譜范圍

3）“錢德拉”是大天文臺計劃的第3顆衛(wèi)星，于1999年發(fā)射，主要用于觀測天體的X射線輻射，搭載的科學(xué)設(shè)備包括高新CCD成像光譜儀、高分辨率照相機、高能透射光柵和低能透射光柵，主要的科學(xué)觀測成果包括：在星系M82中發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞的證據(jù)、發(fā)現(xiàn)了伽瑪射線暴GRB 991216中的X射線發(fā)射、觀測到了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞天蝎座A的X射線輻射以及物質(zhì)從原恒星盤落入恒星時發(fā)出的X射線等。

4）“斯皮策”是大天文臺計劃的最后一顆衛(wèi)星，于2003年發(fā)射，主要在中遠紅外線波段對天體進行觀測，搭載的科學(xué)設(shè)備包括紅外陣列相機、紅外攝譜儀和多波段成像光度計，主要科學(xué)目標為尋找太陽系之外的行星、探索行星是怎樣形成的、研究陌生的河外星系、觀測遙遠星系及揭示早期宇宙圖景。

2 “錢德拉”結(jié)構(gòu)

作為美國大天文臺計劃的第3顆衛(wèi)星，“錢德拉”是迄今為止人類建造的最為先進、最為復(fù)雜的X射線觀測衛(wèi)星，被譽為“X射線領(lǐng)域內(nèi)的哈勃”。

“錢德拉”總長13.8m，是利用航天飛機搭載所發(fā)射的最大衛(wèi)星。該衛(wèi)星有兩副太陽電池翼，展開時的跨度為19.5m，功率在2000W左右，每副太陽電池翼包括3塊電池板。

四大天文望遠鏡相關(guān)參數(shù)

“錢德拉”結(jié)構(gòu)圖

衛(wèi)星最前端是遮陽板，在衛(wèi)星入軌前遮陽板處于關(guān)閉狀態(tài)以避免空間輻射的影響，衛(wèi)星入軌觀測時遮陽板打開，可以遮擋一定角度范圍以內(nèi)的太陽照射。遮陽板后面是高分辨率鏡頭組件（HRMA），用于將入射的X射線會聚到焦平面上的探測設(shè)備。鏡頭周圍有4個推力器、1個方位相機和2副低增益天線，其中推力器用于將衛(wèi)星送入最終軌道位置，并調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)；方位相機結(jié)合地球敏感器、太陽敏感器和陀螺儀等用來精確測定衛(wèi)星的指向方位；低增益天線負責(zé)地面測控站的遙控指令上傳和衛(wèi)星遙測參數(shù)以及科學(xué)觀測數(shù)據(jù)的下傳。

聚焦鏡頭之后是低能透射光柵（LETG）和高能透射光柵（H ETG），用于將不同能量的X射線衍射到不同的方向以進行光譜分析。透射光柵之后是高分辨率相機（HRC）和高新CCD成像光譜儀（ACIS），它們位于高分辨率鏡頭組件的焦平面上，是X射線成像和光譜分析設(shè)備。衛(wèi)星最末端是綜合科學(xué)設(shè)備平臺（ISIM），用于承載高分辨率相機和高新CCD成像光譜儀；同時這個設(shè)備平臺內(nèi)的機械裝置可以將高分辨率相機和高新CCD成像光譜儀移入或移出焦平面，以配合鏡頭交替使用不同類型的探測器來開展不同的科學(xué)觀測；綜合科學(xué)設(shè)備平臺還負責(zé)科學(xué)觀測設(shè)備與衛(wèi)星數(shù)管分系統(tǒng)的通信及熱控。

3 “錢德拉”配置的科學(xué)儀器設(shè)備

高分辨率鏡頭組件

高分辨率鏡頭組件由4層嵌套的掠入射拋物面鏡和雙曲面鏡組成，焦距為10m，角分辨率為0.5″，用于將入射的X射線聚焦。端面直徑分別為1.23m、0.99m、0.87m和0.65m，各鏡面長度為0.84m。鏡面材料為肖特微晶玻璃，拋光清潔后，在其表面鍍制高反射率的金屬銥，以實現(xiàn)對X射線的反射。由于鏡面的研磨、拋光和清潔工藝都實現(xiàn)了歷史性的突破，“錢德拉”上的高分辨率鏡頭組件成為有史以來表面最光滑、最干凈的光學(xué)鏡頭，其表面粗糙度達到原子尺度量級。同時，鏡頭的安裝精度也達到了空前的高度：光學(xué)系統(tǒng)兩端的距離是2.7m，其安裝誤差小于1.3μm。

由于X射線光子比可見光能量高，它會像子彈穿過墻壁一樣穿透可見光光學(xué)鏡頭，而當(dāng)X射線以很小的角度掠入射到鏡面時，X射線將會被鏡面反射。利用嵌套拋物面鏡和雙曲面鏡組成Wolter-I型掠入射望遠鏡系統(tǒng)，可以實現(xiàn)X射線的聚焦，其中嵌套的各拋物面鏡和雙曲面鏡同軸且焦點重合。

高分辨率鏡頭組件最后的地面標定和檢測在馬歇爾空間飛行中心（MSFC）的X射線標校設(shè)施（XRCF）上進行。該標校設(shè)施具有世界上最長的真空束線通道，長達518m，能提供最好的測試環(huán)境。測試時，高分辨率鏡頭組件距離X射線源524.7m，不同能量的X射線以不同的角度入射到鏡頭表面，測試其在不同條件下的有效面積和成像質(zhì)量。所有的地面測試于1997年完成，結(jié)果表明，其X射線望遠鏡比以往發(fā)射的X射線望遠鏡靈敏度高出25倍以上。

透射光柵

“錢德拉”上高分辨率光譜分析是由2臺透射光柵實現(xiàn)的，分別為高能透射光柵和低能透射光柵，低能透射光柵觀測能段為0.09～3keV，譜分辨率為40～2000；高能透射光柵觀測能段為0.4～10keV，譜分辨率為60～1000，2臺透射光柵都能夠與高新CCD成像光譜儀或高分辨率相機聯(lián)合工作。

2臺透射光柵共置于一個回轉(zhuǎn)機構(gòu)上，因此在同一時刻兩者之中最多只有一個位于高分辨率鏡頭組件光學(xué)系統(tǒng)的光路中。入射X射線由高分辨率鏡頭組件聚焦后，通過透射光柵時，不同能量的X射線將會被衍射到不同的位置，高分辨率鏡頭組件焦平面上的設(shè)備高分辨率照相機或高新CCD成像光譜儀可根據(jù)衍射X射線的位置來精確確定其能量，因此透射光柵結(jié)合高分辨率照相機或高新CCD成像光譜儀可以組成光柵攝譜儀。在“錢德拉”上，光柵攝譜儀的能量分辨率高達0.1%，可用于區(qū)分X射線分立譜線以實現(xiàn)精細能譜分析。光柵攝譜儀主要可用于目標天體溫度、電離和化學(xué)組成的探測。

低能透射光柵

2臺透射光柵均由數(shù)百片小塊金光柵組成。低能透射光柵的每塊光柵由等間隔分布的細長金條組成，排列周期為1μm。組成低能透射光柵的小塊光柵鑲嵌在一個環(huán)形結(jié)構(gòu)上，與高分辨率鏡頭組件配合使用。高能透射光柵細長金條的排列周期比低能透射光柵更小，其中高能光柵的排列周期為0.2μm，而中能光柵的排列周期為0.4μm。為了區(qū)分高能透射光柵的高能光柵和中能光柵，它們安裝的朝向角度有細微的差異，因此入射X射線在焦平面上的衍射圖案呈現(xiàn)為“X”形狀。高能透射光柵細長金條的尺寸比可見光波長小，因此需要特殊的制造技術(shù)來完成生產(chǎn)加工；由于細長金條對X射線是部分透明的，使透射光柵具有較高的衍射效率，有利于提高光柵攝譜儀的光譜分辨率。

X射線探測器

“錢德拉”上的X射線探測器包括高分辨率相機和高新CCD成像光譜儀，它們位于高分辨率鏡頭組件的焦平面上，主要用于入射X射線的成像以及光譜分析，可測量得到入射X射線光子的數(shù)量、位置、能量以及到達時間。

高分辨率相機

高分辨率相機核心部件是2臺微通道板探測器（MCP)，觀測能段為0.1～10k eV，時間分辨率達到0.016s。每臺微通道板探測器包括6900萬個長度1.2mm、直徑10μm的微孔通道。在X射線輻射到微孔通道內(nèi)壁的特殊涂層材料上時，會擊發(fā)出二次電子；二次電子在高壓電場的作用下加速通過微孔通道，不斷撞擊通道內(nèi)壁，并擊發(fā)出更多的電子，在到達微孔通道末端時，形成約3×107個電子組成的電子云，從而實現(xiàn)電子倍增。在通道板探測器下方，為十字交叉的金屬絲陣，用于探測輸出的電子信號，可以高精度確定X射線的入射位置，從而使得天文學(xué)家能夠繪制宇宙X射線源的精細圖譜。由于高分辨率照相機的空間分辨率高，能對超新星爆發(fā)產(chǎn)生的熱物質(zhì)遺跡和遙遠星系及星系群成像，以及暗天體識別。

高能透射光柵

高分辨率相機包括2臺相機，分別為高分辨率相機-I和高分辨率相機-S，其中前者主要用于X射線成像，探測區(qū)為方形；后者位于前者下方，用于X射線光譜分析，探測區(qū)為長條形。高分辨率相機-I擁有衛(wèi)星上最大的視場角，為30′×30′，可用于高分辨率寬視場成像，但其能量分辨率較差。高分辨率相機-S可以配合低能透射光柵使用，作為低能透射光柵衍射X射線的高分辨率光譜分析設(shè)備，視場角為3.4′×99′。同時，高分辨率相機-S還可工作在快速計時模式下，時間分辨率可達到16μs，視場角為6′×30′。

高新CCD成像光譜儀

高新CCD成像光譜儀由10個CCD組成，觀測能段為0.2～10k eV，可用于X射線成像，以及入射X射線光子能量、位置和到達時間的測量。由于不同化學(xué)元素產(chǎn)生的X射線能量不同，因此高新CCD成像光譜儀可以基于其能量分辨特性只利用目標天體中單一化學(xué)成分產(chǎn)生的X射線進行成像，從而可以比較不同化學(xué)成分產(chǎn)生的不同能量X射線的成像圖譜，得到目標天體的化學(xué)元素分布。高新CCD成像光譜儀主要用于研究星系際空間X射線源的溫度變化，以及超新星爆發(fā)塵埃云化學(xué)組分的變化。

根據(jù)不同應(yīng)用目的，高新CCD成像光譜儀分為高新CCD成像光譜儀-I和高新CCD成像光譜儀-S，其中前者（包括I0～I3）主要用于X射線成像，其探測區(qū)為方形；后者（包括S0～S5）則用于X射線光譜分析，其探測區(qū)為長條形。利用高新CCD成像光譜儀成像時，為獲得最大的視場角，可以使用I0～I3及S2～S3這6個CCD，得到總的視場角為16.9′×25.2′。

高新CCD成像光譜儀所包含的10個CCD相機分辨率均為1024×1024像素，因此可使用其中的任何一個用于高分辨率成像，由于S3是背照射CCD且位置居中，一般選用S3作為高分辨率成像的CCD相機，此時視場角為8.3′×8.3′。S3還可以工作在快速計時模式下，只是該模式是以損失CCD其中一維的信息來獲得快讀出時間，時間分辨率可達2.85ms。利用S0～S5這6臺CCD相機，結(jié)合高能透射光柵，可組成光柵攝譜儀實現(xiàn)高分辨率光譜分析，其視場角為8.3′×50.6′，在1.2～31?的波長范圍內(nèi)，對應(yīng)的能量分辨率為0.012～0.023?。

4 結(jié)束語

“錢德拉”是迄今為止人類建造的最先進、最復(fù)雜、最精密的X射線觀測衛(wèi)星，能實現(xiàn)對宇宙高能天體所輻射X射線的數(shù)目、能量、位置和到達時間的精確測量，其能量分辨率最高可達2.5%，角分辨率最高可達0.5″，時間分辨率最高可達16μs。

X射線脈沖星導(dǎo)航是實現(xiàn)航天器長時間高精度自主導(dǎo)航的可行途徑，是國際航天前沿技術(shù)研究的熱點。X射線脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射X射線光子的能量、方位角和脈沖到達時間為基本觀測量。由于X射線脈沖星探測過程與“錢德拉”類似，因此通過分析研究“錢德拉”的整體結(jié)構(gòu)、高分辨率鏡頭組件、透射光柵和X射線探測器等技術(shù)特征和性能指標，為開展X射線脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗系統(tǒng)設(shè)計提供技術(shù)參考，以加速推進X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)研究與工程試驗。