發(fā)展中的X射線空間望遠(yuǎn)鏡

文/李會(huì)超

由于天體發(fā)射出的X射線在穿過(guò)大氣層時(shí)大部分會(huì)被吸收，因此使用空間望遠(yuǎn)鏡，在大氣層以外對(duì)天體輻射的X射線進(jìn)行觀測(cè)，是X射線天文學(xué)的主要觀測(cè)方式。從20世紀(jì)70年代至今，不少X射線空間望遠(yuǎn)鏡被發(fā)射升空，為我們揭示了肉眼看不到的宇宙秘密。

天基X射線觀測(cè)的開(kāi)始

第一顆進(jìn)行X射線探測(cè)的衛(wèi)星為美國(guó)的Uhuru衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星于1970年12月12日進(jìn)入了遠(yuǎn)地點(diǎn)560公里、近地點(diǎn)520公里的近地軌道，開(kāi)始了X射線天文學(xué)的新紀(jì)元。在此之前，人們主要以探空火箭為X射線天文學(xué)的探測(cè)工具。然而，探空火箭在空中停留的時(shí)間短，設(shè)備的探測(cè)精度也有限?！癠huru”的探測(cè)精度比以往的探測(cè)精度高出了10倍，上天一星期所接收到的數(shù)據(jù)量就超過(guò)了以往所有的X射線天文學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)。然而，“Uhuru”上并沒(méi)有成像設(shè)備，其攜帶的計(jì)數(shù)器只能區(qū)分某一方向X射線總體上的強(qiáng)弱。

其后的1978年11月13日，第一個(gè)搭載了X射線望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)器HEAO-II被發(fā)射升空。由于1979年是愛(ài)因斯坦誕辰100周年，這顆衛(wèi)星上天后被重新命名為“愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡”。由于這顆衛(wèi)星可以傳回圖像信號(hào)，使得科學(xué)家們不但對(duì)已知的X射線源進(jìn)行了更深入的研究，還作出了不少新的發(fā)現(xiàn)。例如，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)許多活動(dòng)星系核都是強(qiáng)大的X射線發(fā)射體，而星系間大氣中的X射線輻射則給出了宇宙中暗物質(zhì)總量的信息。

▲Uhuru衛(wèi)星

▲在廠房中的Uhuru衛(wèi)星

▲愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡

▲廠房中的愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡

▲對(duì)愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行測(cè)試

▲錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡

錢(qián)德拉X射線空間望遠(yuǎn)鏡

在Uhurru、愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡和后續(xù)的X射線天文學(xué)衛(wèi)星相繼取得成功后，著名X射線天文學(xué)家賈科尼提出了功能更豐富、更強(qiáng)大的X射線空間望遠(yuǎn)鏡方案。之后，這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡方案以印度裔美籍著名天文學(xué)家錢(qián)德拉·塞卡的名字命名，并成為“大型軌道天文臺(tái)”計(jì)劃中的一員。在此計(jì)劃中，伽馬、X射線、近紫外及可見(jiàn)光、紅外波段的天體輻射信號(hào)，分別由“康普頓”、“錢(qián)德拉”、“哈勃”和“斯皮策”四臺(tái)大型空間望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)觀測(cè)。這四個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡配合地面的射電天文臺(tái)，形成了覆蓋整個(gè)電磁波譜的完整觀測(cè)能力，前所未有地推進(jìn)了人類天文學(xué)的發(fā)展。

▲“錢(qián)德拉”拍攝到的星云

“錢(qián)德拉”并非由火箭發(fā)射升空，而是搭乘哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)執(zhí)行的STS-93任務(wù)，由航天飛機(jī)釋放到太空中。“錢(qián)德拉”的軌道高度相當(dāng)高，近地點(diǎn)的距離已經(jīng)達(dá)到約1.4萬(wàn)公里，而遠(yuǎn)地點(diǎn)的高度更高達(dá)13萬(wàn)公里。選擇如此高的軌道是為了避開(kāi)地球磁層內(nèi)部的輻射帶對(duì)于X射線天文觀測(cè)的干擾，從而保證探測(cè)器搭載的高分辨率設(shè)備能夠得到滿意觀測(cè)的結(jié)果。

▲航天飛機(jī)釋放錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡

“錢(qián)德拉”搭載了一臺(tái)掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡的角分辨率可達(dá)0.5角秒，相比于愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡足足提高了1000倍。構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡反射面的，是33納米厚的銥元素涂層。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡將X射線聚焦后，安裝在望遠(yuǎn)鏡后端的四臺(tái)科學(xué)儀器將對(duì)X射線進(jìn)行成像或分析。他們中，“高分辨率相機(jī)”只負(fù)責(zé)得到分辨率較高的圖像，而“先進(jìn)CCD成像光譜儀”則可以同時(shí)獲取圖像信息與光譜信息。此外，還有兩臺(tái)衍射光柵光譜儀，可以對(duì)不同能量段的X射線進(jìn)行比較精細(xì)的光譜分析。時(shí)至今日，已經(jīng)超期服役的錢(qián)德拉X射線德拉”十分相似。

頗具悲情色彩的日本望遠(yuǎn)鏡

進(jìn)入新世紀(jì)后，日本也開(kāi)始研發(fā)X射線空間望遠(yuǎn)鏡。然而，其任務(wù)進(jìn)行得都不順利，頗有幾分悲情色彩。

2000年，日本的第一顆X射線空間望遠(yuǎn)鏡天文-E出師未捷身先死。發(fā)射它的M-V-4運(yùn)載火箭在起飛42秒后就出現(xiàn)故障，衛(wèi)星連同火箭殘骸一同墜入大海。M-V-4是日本的一種固體運(yùn)載火箭，主要用來(lái)發(fā)射質(zhì)量不大的科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星。此后的2005年，日本人又制造了一顆設(shè)計(jì)基本相同的天文-E II衛(wèi)星，在使用M-V-4火箭發(fā)射成功后，將這個(gè)X射線空間望遠(yuǎn)鏡重命名為“朱望遠(yuǎn)鏡仍在正常工作。

▲天文-E II衛(wèi)星

同一時(shí)期，歐空局研發(fā)了XMM-牛頓X射線空間望遠(yuǎn)鏡，其功能與“錢(qián)雀”號(hào)。

“朱雀”雖然成功進(jìn)入了太空，但入軌工作僅19天后就出現(xiàn)了一次較大的事故。在冷卻系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)異常后，冷卻系統(tǒng)的液氦管道終于爆炸。對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)，相關(guān)電子元件必須處于一定的溫度環(huán)境中，才能正常工作。液氦管道的爆炸讓制冷系統(tǒng)無(wú)法再有效穩(wěn)定溫度，這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡最主要的后端儀器——X射線光譜儀停止工作。不過(guò)，依靠剩下的X射線成像光譜儀和硬X射線探測(cè)器，“朱雀”還是取得了一定的科學(xué)成果。例如，利用“朱雀”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)新類型的超新星爆發(fā)遺跡。

▲朱雀號(hào)望遠(yuǎn)鏡工作示意圖

▲瞳X射線空間望遠(yuǎn)鏡

2015年，“朱雀號(hào)”因?yàn)樾l(wèi)星狀態(tài)不穩(wěn)定而終止工作，取代它的是“瞳”號(hào)X射線空間望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡裝備了先進(jìn)的科學(xué)儀器，能夠?qū)沊射線和硬X射線同時(shí)實(shí)現(xiàn)成像觀測(cè)。然而，當(dāng)“瞳”進(jìn)入太空不久后，其姿態(tài)控制系統(tǒng)就出現(xiàn)了偏差，衛(wèi)星的反作用飛輪不停地“校正”實(shí)際不存在的衛(wèi)星姿態(tài)擾動(dòng)，使衛(wèi)星從穩(wěn)定工作狀態(tài)進(jìn)入了姿態(tài)開(kāi)始失控的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)姿態(tài)的問(wèn)題后，衛(wèi)星自動(dòng)進(jìn)入了安全模式，開(kāi)始使用衛(wèi)星上的噴嘴幫助校正姿態(tài)問(wèn)題。然而，由于一段編寫(xiě)錯(cuò)誤的程序，噴嘴校正姿態(tài)的方向與正確方向恰好相反，導(dǎo)致衛(wèi)星越轉(zhuǎn)越快，最終在太空中解體。當(dāng)衛(wèi)星與地面剛剛失聯(lián)時(shí)，美國(guó)的北美防空司令部就表示衛(wèi)星已經(jīng)破碎成了幾塊殘骸，但日本技術(shù)人員從一個(gè)錯(cuò)誤接收到的無(wú)線電信號(hào)判斷，衛(wèi)星還有搶救一下的可能。然而，在徒勞一段時(shí)間后，他們終于接受了“瞳”已經(jīng)在太空中解體的事實(shí)。替換“瞳”的X射線空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)開(kāi)始研制，計(jì)劃于2020年發(fā)射。

▲慧眼硬X射線望遠(yuǎn)鏡

▲慧眼X射線望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

中國(guó)的X射線空間望遠(yuǎn)鏡

2017年6月15日，中國(guó)的第一顆X射線空間望遠(yuǎn)鏡“慧眼”成功發(fā)射?；垩坌l(wèi)星的全名是“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”，可觀測(cè)1～250千電子伏特能量范圍的X射線和200千電子伏特～3兆電子伏特能量范圍的伽瑪射線，主要用于X射線巡天觀測(cè)和黑洞、中子星等高能天體的觀測(cè)。

▲測(cè)試“慧眼”

對(duì)于硬X射線，“慧眼”通過(guò)準(zhǔn)直器和相關(guān)的后處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)X射線的觀測(cè)。準(zhǔn)直器只允許與它成特定夾角的X射線穿過(guò)。通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，使得準(zhǔn)直器掃過(guò)天空的不同地區(qū)，測(cè)量得到不同天區(qū)的X射線強(qiáng)度，再利用我國(guó)自主研發(fā)的后處理方法，即可實(shí)現(xiàn)天體的X射線成像?；垩坌l(wèi)星的視場(chǎng)較大，能夠在同一時(shí)刻觀察到較大面積的一片天空，在進(jìn)行巡天觀測(cè)時(shí)，只需兩天就可以完成銀道面的掃描。在最初的設(shè)計(jì)中，科學(xué)家們僅計(jì)劃對(duì)以往較難觀測(cè)的硬X射線波段展開(kāi)研究，但隨著項(xiàng)目不斷深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)只要對(duì)衛(wèi)星的設(shè)備稍加改進(jìn)升級(jí)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)軟X射線和伽瑪射線的觀測(cè)，使衛(wèi)星覆蓋的波譜范圍大大提升。

目前，中國(guó)的另一顆X射線空間望遠(yuǎn)鏡“愛(ài)因斯坦探針”正在進(jìn)行工程研制。這個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡主要聚焦時(shí)域天文學(xué)的研究，研究短暫和劇烈的天體爆發(fā)現(xiàn)象，例如恒星坍縮、黑洞或中子星之間的并合和伽瑪暴等。這些現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間和位置都很難預(yù)測(cè)，必須快速而不間斷地對(duì)整個(gè)天空進(jìn)行“掃描”，才有可能捕捉到他們的蹤跡?！皭?ài)因斯坦探針”計(jì)劃采用“龍蝦眼”這一新X射線望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線的大視場(chǎng)、高靈敏度觀測(cè)，滿足時(shí)域天文學(xué)的觀測(cè)要求，進(jìn)一步提高中國(guó)在高能天體物理領(lǐng)域中的研究水平，也為全世界的天文學(xué)家?guī)?lái)新的研究數(shù)據(jù)。