NuSTAR：探索高能X射線宇宙

□ 謝懿/編譯

核分光望遠(yuǎn)鏡陣（NuSTAR）可以看到其他望遠(yuǎn)鏡無(wú)法看見(jiàn)的高能X射線，為研究最古老黑洞和最年輕超新星提供了一條新的途徑。

千百年來(lái)，天文學(xué)家僅用自己的眼睛來(lái)審視我們的宇宙。雖然對(duì)我們來(lái)說(shuō)相當(dāng)有用，但肉眼只能探測(cè)到一種類型的電磁輻射——可見(jiàn)光。人類花了很長(zhǎng)時(shí)間，才把目光移到了這個(gè)有限的波長(zhǎng)范圍之外。1800年，生于德國(guó)的英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)了紅外輻射；次年，德國(guó)物理學(xué)家約翰·威廉·里特發(fā)現(xiàn)了紫外線。在這之后，微波（1864年）、射電波（1887 年）、X射線（1895年）和γ射線（1900年）相繼被發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)在電磁波中開(kāi)辟出新的領(lǐng)域，新的發(fā)現(xiàn)就會(huì)接踵而至。

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，天文學(xué)家已經(jīng)研究了所有形式的輻射，但始終無(wú)法在高能X射線波段獲得清晰的影像?？茖W(xué)家們用電子伏特來(lái)定量描述輻射的能量?？梢?jiàn)光的能量在1.6～3.4個(gè)電子伏特之間。高能X射線的能量要高得多，在3000電子伏特～79 000電子伏特。觀測(cè)這些“硬”X射線輻射正是核分光望遠(yuǎn)鏡陣（NuSTAR）的專長(zhǎng)。

新的途徑

地球的大氣層會(huì)完全吸收掉這些高能的輻射——對(duì)我們來(lái)說(shuō)是幸運(yùn)的事情！但對(duì)天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)，就得另辟蹊徑。科學(xué)家們多年來(lái)一直使用高空氣球、探空火箭以及衛(wèi)星來(lái)擺脫大氣層的干擾。

NuSTAR在軌藝術(shù)概念圖，它長(zhǎng)10.2米的桅桿會(huì)在入軌后伸展開(kāi)

在 NuSTAR之前，人類已經(jīng)發(fā)射了一系列觀測(cè)高能射線的空間望遠(yuǎn)鏡，包括1978年發(fā)射的愛(ài)因斯坦天文臺(tái)、倫琴X射線天文臺(tái)（1990年發(fā)射）、錢德拉X射線天文臺(tái)（1999年發(fā)射）和牛頓X射線多鏡面望遠(yuǎn)鏡（1999年發(fā)射）。不過(guò)，這些望遠(yuǎn)鏡中的探測(cè)器只能探測(cè)能量在100電子伏特～10 000電子伏特之間的X射線輻射。鮮有衛(wèi)星能在既不產(chǎn)生相當(dāng)大的背景干擾又具有足夠靈敏度的情況下觀測(cè)到能量更高的X射線。

2005年，美國(guó)航宇局批準(zhǔn)了NuSTAR項(xiàng)目，但一年后卻由于預(yù)算削減而被取消。差一點(diǎn)就胎死腹中。幸運(yùn)的是NuSTAR的團(tuán)隊(duì)最終說(shuō)服了美國(guó)航宇局。

2012年6月13日，搭乘一枚“飛馬”XL空射火箭，NuSTAR發(fā)射升空?，F(xiàn)在，有幾十個(gè)科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)NuSTAR所打開(kāi)的這扇窗口來(lái)望宇宙。

新的設(shè)計(jì)

NuSTAR是一種掠射式望遠(yuǎn)鏡，由兩個(gè)對(duì)齊的沃爾特望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。這是因?yàn)槠胀ǖ耐h(yuǎn)鏡鏡面要么會(huì)吸收X射線，要么對(duì)X射線來(lái)說(shuō)是透明的。NuSTAR的鏡面具有特殊的鍍膜，對(duì)于入射的輻射其傾角不超過(guò)2°。于是，X射線會(huì)在反射鏡上以很小的角度被反射。它每一個(gè)光學(xué)組件的焦距都長(zhǎng)達(dá)10.2米，位于一根長(zhǎng)桅桿的端部。NuSTAR進(jìn)入軌道之后，桅桿就會(huì)伸展開(kāi)。

為了聚焦X射線，除了需要小角度反射之外，還要使用特殊的材料。在此前的任務(wù)中采用黃金和鉑金這樣的高密度元素作為涂層材料，但對(duì)于高能量X射線而言它們的效果并不理想。因此，對(duì)于NuSTAR，工程師為其涂覆了400層超薄材料，高密度（鉑和鎢）和低密度（硅和碳化硅）的材料交替出現(xiàn)。相比于之前的X射線望遠(yuǎn)鏡，它在高能段上的靈敏度更高，分辨率也比以往提高了10倍。

NuSTAR觀測(cè)到的銀河系中心X射線影像（中央插圖）以及銀心X射線爆發(fā)過(guò)程（右側(cè)：爆發(fā)前、爆發(fā)時(shí)、爆發(fā)后）

NuSTAR每個(gè)光學(xué)聚焦器件實(shí)際上是一組由內(nèi)而外相互嵌套的130個(gè)同心殼層。工程師在殼層之間放置了石墨墊片，并用環(huán)氧樹(shù)脂將它們束縛在一起。65個(gè)內(nèi)殼層各有6個(gè)反光鏡面，而65個(gè)外殼則每個(gè)含有12個(gè)鏡面。

按計(jì)劃，NuSTAR主任務(wù)階段只有2年，美國(guó)航宇局現(xiàn)在已經(jīng)延長(zhǎng)其工作時(shí)間?？茖W(xué)家們將用它來(lái)研究不可見(jiàn)的高能宇宙，尤其是天文學(xué)所鐘愛(ài)的黑洞、耀變體和超新星。

審視黑洞

銀河系的核心是NuSTAR的首批觀測(cè)目標(biāo)。可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡無(wú)法穿透銀心附近區(qū)域中的氣體和塵埃云。幸運(yùn)的是，高能X射線可以輕易地穿過(guò)所有這些物質(zhì)，讓NuSTAR能看到它們。

天文學(xué)家把NuSTAR指向了——但并沒(méi)有直接對(duì)準(zhǔn)——銀河系的中心，那里潛藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。它被稱為人馬A*，質(zhì)量是太陽(yáng)的大約400萬(wàn)倍。

以前的觀測(cè)已在這個(gè)黑洞周圍的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了許多的X射線源，所以那是一片狩獵恒星質(zhì)量黑洞和其他另類天體的沃土。天文學(xué)家想知道，除了銀心的超大質(zhì)量黑洞之外，那里還有多少其他的黑洞。

當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星爆炸成超新星時(shí)，它的核心會(huì)坍縮成一個(gè)超高密度的天體，天文學(xué)家稱之為黑洞。它的引力非常強(qiáng)大，即使是光也無(wú)法從那里逃脫，因而看上去“黑”。

黑洞會(huì)吞下任何越過(guò)其引力邊界的物體，這道邊界被稱為事件視界。就在它的外面，超高溫的物質(zhì)會(huì)形成一個(gè)吸積盤(pán)。這個(gè)盤(pán)會(huì)發(fā)出X射線，它可以向科學(xué)家吐露黑洞的存在，而黑洞本身則是無(wú)法被直接看到的。

一旦天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)黑洞，下一步就是測(cè)定它的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度。黑洞的質(zhì)量相差極大，從幾倍于太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞到數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億倍于太陽(yáng)超大質(zhì)量黑洞不等。

科學(xué)家們也會(huì)使用NuSTAR來(lái)尋找位于其他星系中的黑洞。它首先會(huì)觀測(cè)那些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光和紅外對(duì)應(yīng)體的目標(biāo)，即它們的位置和X射線源相重合。X射線單獨(dú)無(wú)法告訴天文學(xué)家很多有關(guān)這些天體的信息，但其他波長(zhǎng)的輻射例如可見(jiàn)光則可以。

新型黑洞

天文學(xué)家必須要放眼銀河系之外，只有這樣才能去探測(cè)一種神秘的天體，它被稱為極亮X射線源，于20世紀(jì)80年代首次被發(fā)現(xiàn)。這些天體的X射線亮度高于任何的恒星或恒星質(zhì)量黑洞，但又不及超大質(zhì)量黑洞。這讓天文學(xué)家們倍感困惑。關(guān)于極亮X射線源是什么有一些理論，但它們大多數(shù)都涉及到一種新型的黑洞。

藍(lán)色所標(biāo)記的是NuSTAR探測(cè)到的超大質(zhì)量黑洞發(fā)出的高能X射線，這些超大質(zhì)量黑洞到我們的距離在30億～100億光年不等

目前，天文學(xué)家已經(jīng)知道有恒星質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞，而新的發(fā)現(xiàn)則提出存在一個(gè)中間地帶——中等質(zhì)量黑洞，它的質(zhì)量可以讓恒星質(zhì)量黑洞相形見(jiàn)絀，同時(shí)又遠(yuǎn)小于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。雖然天文學(xué)家已經(jīng)知道了這些中等質(zhì)量天體的存在，但卻并不清楚它們是如何形成的。

中等質(zhì)量黑洞究竟是如何形成的仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。有些理論認(rèn)為，在致密的星團(tuán)中，它們可以通過(guò)不斷的并合而形成，但也仍有不少問(wèn)題有待解答。

最近，天文學(xué)家使用NuSTAR研究了一個(gè)中等質(zhì)量黑洞可能的候選體ESO 97-G13，它位于1 300萬(wàn)光年遠(yuǎn)的圓規(guī)星系中，該星系是距離銀河系最近的活動(dòng)星系之一。在這個(gè)過(guò)程中，還利用了其他空間望遠(yuǎn)鏡的歸檔數(shù)據(jù)，以此可以了解它在不同時(shí)期和不同波段上的樣子。

結(jié)果顯示，ESO 97-G13的質(zhì)量大約為太陽(yáng)的100倍。如果這一發(fā)現(xiàn)得到其他觀測(cè)的確認(rèn)，將意味著它是一個(gè)非常巨大的恒星質(zhì)量黑洞，位于中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量范圍的下邊界附近。

黑洞計(jì)數(shù)

當(dāng)然，NuSTAR也可以發(fā)現(xiàn)其他各種質(zhì)量的黑洞，而且還是無(wú)心之舉。當(dāng)時(shí)天文學(xué)家正在觀測(cè)已知的目標(biāo)，但卻在圖像的背景中發(fā)現(xiàn)了10個(gè)超大質(zhì)量黑洞。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其他的X射線衛(wèi)星此前已發(fā)現(xiàn)了它們，但直到NuSTAR的觀測(cè)才使得這些黑洞激起了大家的興趣。這些以及NuSTAR的其他發(fā)現(xiàn)將有助于天文學(xué)家估計(jì)出宇宙中究竟包含有多少個(gè)黑洞。

這個(gè)謎題一直可以追溯到1962年。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家已經(jīng)注意到了天空背景中彌漫著的X射線輝光，但卻無(wú)從知曉它們的來(lái)源?，F(xiàn)在，我們知道遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞是它們的源頭，但是仍需要NuSTAR來(lái)進(jìn)一步探測(cè)和了解黑洞的整個(gè)族群。這正得益于NuSTAR的觀測(cè)能力，它可以輕松地看“穿”遮擋超大質(zhì)量黑洞濃厚物質(zhì)墻。

結(jié)果顯示，距離越遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞，往往位于越大的星系中。這在預(yù)料之中，因?yàn)樵谟钪娓鼮槟贻p的時(shí)候，有更多較大的星系在碰撞、合并和成長(zhǎng)。

NuSTAR對(duì)超新星遺跡仙后A的觀測(cè)顯示，其中鈦（藍(lán)色）的分布并不均勻，為超新星爆發(fā)背后的機(jī)制提供了線索

審視耀變體

最活躍的活動(dòng)星系會(huì)在它們的兩極把等離子體加速到接近光速的程度，形成噴流。天文學(xué)家相信，這些噴流發(fā)源來(lái)自這些星系中央的超大質(zhì)量黑洞。

有時(shí)，黑洞的噴流會(huì)沿著其吸積盤(pán)的自轉(zhuǎn)軸射出。當(dāng)然，噴流的空間指向完全是任意的。但當(dāng)它們指向地球的時(shí)候，就會(huì)在NuSTAR的眼中顯得極其明亮，被稱為耀變體。

圍繞星系核心的大量塵埃和低溫氣體偶爾會(huì)受到擾動(dòng)，流向中央黑洞。黑洞的引力會(huì)俘獲這些下落的物質(zhì)，產(chǎn)生輻射爆發(fā)。雖然這些爆發(fā)遠(yuǎn)在數(shù)十億光年之外，NuSTAR仍能探測(cè)到它們。

NuSTAR的高靈敏度使得它能以迄今最高的分辨率來(lái)探測(cè)耀變體所發(fā)出的高能量X射線輻射，天文學(xué)家希望由此能揭示噴流是如何形成的。

勘測(cè)超新星

除了研究大尺度的爆發(fā)事件之外，NuSTAR也可以細(xì)致地勘測(cè)小尺度的天體，例如超新星。從宇宙早期至今，宇宙中的物質(zhì)組成一直在不斷地循環(huán)。恒星會(huì)生老病死，其中質(zhì)量最大的會(huì)把自身炸成碎片，釋放出在核心處鍛造出的重元素。這些物質(zhì)會(huì)進(jìn)入下一代恒星形成的地方，使得新生恒星自出世起便包含了這些重元素。

天文學(xué)家非常想了解這些由超新星所制造出的元素，即便這些元素的壽命很短暫。由此，可以了解在超新星爆發(fā)時(shí)大質(zhì)量恒星的核心處于什么樣的狀態(tài)，例如溫度、壓強(qiáng)和成分等。

2014年2月，NuSTAR繪制出了第一幅超新星遺跡仙后A中鈦44的分布圖。該遺跡于1947年首次被發(fā)現(xiàn)，是一個(gè)射電源。結(jié)果顯示，鈦的分布并不均勻，這為超新星爆發(fā)的機(jī)制提供了線索。

NuSTAR所觀測(cè)到的太陽(yáng)發(fā)出的高能X射線輻射（綠色和藍(lán)色）。發(fā)出這些高能X射線輻射的氣體其溫度高達(dá)300萬(wàn)度

恒星實(shí)質(zhì)上都是氣體球，于是就會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為在它們爆炸時(shí)也會(huì)呈球形。但NuSTAR的觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn)這些爆炸的中央引擎存在扭曲變形，這可能是其核心在爆炸之前受到擾動(dòng)所致。

NuSTAR對(duì)超新星爆炸了解得越多，天文學(xué)家就能更為深入地了解宇宙的組成以及特定的成分是如何在宇宙中分布并形成不同的恒星和行星的。

我們的太陽(yáng)？

在NuSTAR所觀測(cè)的目標(biāo)中，有一個(gè)甚至比銀河系中的超新星到我們的距離還要近數(shù)十億倍。它就是太陽(yáng)的日冕——太陽(yáng)表面之外溫度高達(dá)數(shù)百萬(wàn)度的等離子體區(qū)域。除了在日全食期間，通常情況下看不見(jiàn)日冕。它們是等離子環(huán)從太陽(yáng)表面延伸出的活動(dòng)區(qū)域，太陽(yáng)耀斑的突然增亮和日冕物質(zhì)的拋射都會(huì)影響到它。研究太陽(yáng)日冕的天文學(xué)家想要回答一個(gè)問(wèn)題：日冕的溫度為什么會(huì)這么高？

一些天文學(xué)家認(rèn)為，是大量的微型太陽(yáng)耀斑加熱了日冕。由于微型耀斑會(huì)產(chǎn)生高能X射線，NuSTAR就成為了用來(lái)研究它們的首選工具。

為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，天文學(xué)家把它對(duì)準(zhǔn)了太陽(yáng)的活動(dòng)區(qū)，那里的強(qiáng)磁場(chǎng)通常與太陽(yáng)黑子有關(guān)。此外，NuSTAR還觀測(cè)了發(fā)生在太陽(yáng)表面的正常耀斑。

研究從距離我們最近的恒星到最遙遠(yuǎn)的星系，NuSTAR以此前從未有過(guò)的深度和廣度放眼了高能X射線下的宇宙。如果說(shuō)NuSTAR這些最新的發(fā)現(xiàn)告訴了我們什么的話，那就是每當(dāng)打開(kāi)一扇通往宇宙的新窗口必定會(huì)有意想不到的精彩發(fā)現(xiàn)。