天文望遠(yuǎn)鏡如何觀測X射線

文/小超

提起X射線，相信讀者們并不陌生。在醫(yī)生看病的過程中，如果需要了解患者骨骼的情況，一般首先會讓患者去拍一張X光片，利用X射線穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，獲知人體內(nèi)部的情況。在宇宙中，X射線往往產(chǎn)生于非常劇烈的高能天體物理過程中，可以使天文學(xué)家們見識到通過其他頻段的信號所無法認(rèn)知的世界，加深我們對宇宙、星系和恒星物理過程的理解。同時，X射線與可見光因?yàn)椴煌奈锢硖匦裕质沟每茖W(xué)家們必須利用特別的觀測方式獲取天體的X射線信號。

X射線天文學(xué)的發(fā)源

醫(yī)院的放射科往往會采取比較嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施，因?yàn)榻邮軇┝砍瑯?biāo)的X射線輻射，會對人體的健康產(chǎn)生威脅。然而，在地面上生活的我們卻不需要為太空中的X射線擔(dān)心。地球的大氣層不但供給了萬物賴以生存的氧氣，還將宇宙中的X射線阻擋在地面以上。當(dāng)來自天體的X射線穿過地球大氣層時，這種穿透力很強(qiáng)的電磁波會被大氣層中的水分子全數(shù)吸收。

對于地球上的各種生靈，大氣層的這種保護(hù)作用當(dāng)然是一件好事。然而，對于天文學(xué)家來說，就失去了在地面上進(jìn)行X射線天文觀測的可能。在可見光波段開展觀測的天文學(xué)，自伽利略將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測后就開始蓬勃發(fā)展。而X射線天文學(xué)的發(fā)端，則要等到二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，火箭技術(shù)開始走向?qū)嵱没蟆?949年1月，美國海軍實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的白沙試驗(yàn)場發(fā)射了一枚Aerobee 150探空火箭，火箭的最大飛行高度剛好越過了稠密大氣的頂部，安裝于火箭頂部的探測器發(fā)現(xiàn)了來自太陽的強(qiáng)烈的X射線。

▲多層鏡片嵌套的X射線望遠(yuǎn)鏡

▲大氣層對各個波段電磁波吸收情況的示意圖，波長較短的X射線會被全部吸收

按照后續(xù)研究所獲得的結(jié)論，當(dāng)太陽磁場發(fā)生重聯(lián)時，由磁場加速的粒子會以極高的速度轟擊太陽表面的物質(zhì)，產(chǎn)生X射線輻射。太陽只是一顆普通的主序恒星，如果太陽能夠釋放X射線，天文學(xué)家們猜想其他恒星應(yīng)該也能釋放X射線，因而X射線應(yīng)該是在宇宙中廣泛存在的。1962年，又一枚探空火箭的探測結(jié)果證實(shí)了天文學(xué)家們的猜想。一個位于天蝎座方向的X射線源被發(fā)現(xiàn)，并被命名為X-1。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，X-1實(shí)際上是雙星系統(tǒng)中的一顆中子星。另一顆恒星上的物質(zhì)在中子星引力的作用下，被輸運(yùn)到中子星附近的過程就會產(chǎn)生X射線。

探空火箭雖然能夠飛行到稠密大氣之上，但其能夠在這個高度飛行的時間較短，很難系統(tǒng)地進(jìn)行X射線天文學(xué)觀測。隨著航天技術(shù)的日趨成熟，科學(xué)家們將X射線望遠(yuǎn)鏡安裝在衛(wèi)星上，發(fā)射到大氣層以上的太空軌道中，從而獲得了系統(tǒng)持續(xù)的X射線觀測數(shù)據(jù)。

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡

由于X射線和可見光迥異的物理特性，可見光波段的各種光學(xué)器件無法對X射線產(chǎn)生同樣的效果，用于將可見光聚焦到一個焦面上的鏡片面對X射線就無能為力了。因此，必須針對X射線的特性設(shè)計特別的望遠(yuǎn)鏡。

▲X光對人體的透視

▲X射線波段觀測到的子彈星系團(tuán)

任何材料對X射線的折射率都小于1，因此，當(dāng)X射線從近乎平行于材料表面的方向，小角度掠入射到材料表面時，可以被材料全部反射。利用這種特性，科學(xué)家們研發(fā)了掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的光路一般由一個雙曲面和一個拋物面構(gòu)成，X射線在經(jīng)過兩次全反射后被聚焦。在焦面上，既可以安裝CCD等成像原件，用于獲得X波段的圖像，又可以將X射線引入光譜儀，分拆出不同波長的X射線強(qiáng)度。

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡原理雖然簡單，但是為了獲得理想的觀測效果，X射線的反射面必須加工得相當(dāng)平滑。掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡的原理在上世紀(jì)50年代就提出了，但在這個苛刻的條件限制下，直到上世紀(jì)70年代后，這種望遠(yuǎn)鏡才得到廣泛的應(yīng)用。為了提高有效的X射線入射面積，科學(xué)家們會采用“圓環(huán)套圓環(huán)”的排列方式，讓若干個反射面嵌套在一起，構(gòu)成一個X射線望遠(yuǎn)鏡。

▲測試中的中科院國家天文臺龍蝦眼X射線望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)

▲中科院國家天文臺X射線探針衛(wèi)星上的龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡模塊布置

根據(jù)光的波粒二象性，波長越短的X射線，其單個光子攜帶的能量越高。早期的掠入射式望遠(yuǎn)鏡只在反射面表面鍍膜一層，對能量較高的硬X射線的反射能力有限，只能對于10千電子伏特量級以下的軟X射線進(jìn)行觀測。自上世紀(jì)90年代開始，人們開始嘗試在發(fā)射面上鍍多層膜，上面的膜層反射能量相對較低的X射線，下面的膜層反射能量相對較高的X射線，從而將這種望遠(yuǎn)鏡能夠觀察到的X射線光子能量提高到了150千電子伏特。

▲龍蝦的眼部結(jié)構(gòu)

▲龍蝦眼睛內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

此外，對于難以被反射的硬X射線，還有一種觀測方法，就是使用準(zhǔn)直型非直接成像望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡在觀測時，通過讓不同方向的X射線交替進(jìn)入裝置的方式，來獲取某一方向X射線的強(qiáng)度。這種方式需要較為繁雜的后處理過程，才能得到觀測圖像。

龍蝦眼型X射線望遠(yuǎn)鏡

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了X射線的直接成像觀測，但卻存在視場太小的局限。當(dāng)這種望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)某個方向后，只能觀察到那個方向的一個小區(qū)域中的圖像。但對于一些方向的天文學(xué)研究，科學(xué)家們更希望能夠大視場的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)，能夠一次看到相對廣闊天空區(qū)域中的情況。

為了設(shè)計出這樣的望遠(yuǎn)鏡，人們從龍蝦這種美味的食材上找到了靈感。和人與不少動物只有單一瞳孔不同的是，龍蝦的眼鏡由大量整齊排列的微型管道構(gòu)成，管道壁光滑且指向同一球心。每個微型管道中相鄰兩個面的反射可以使光線落到龍蝦眼鏡的球形視網(wǎng)膜上。1979年，美國學(xué)者提出了利用類似結(jié)構(gòu)的成像裝置實(shí)現(xiàn)大視場X射線觀測的方法。在這種裝置中，正交排布的微型管道指向同一個球心，管道壁使用能夠反射X射線的光滑內(nèi)壁構(gòu)成，通過X射線在管道中的發(fā)射將其引導(dǎo)到球形焦面上。

▲龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡

▲掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡原理

▲X射線（左）和可見光波段（右）觀測到的土星

在這種方案中，管道截面的邊長僅幾十微米，而管道的長度又要達(dá)到截面邊長的50倍左右，對于材料加工來說是很大的考驗(yàn)?！褒埼r眼”望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計思路是1979年提出的，然而直到近期，美國的Lobster-ISS和中國的愛因斯坦探針計劃，才開始將這種思路付諸實(shí)踐。