圖解空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)展史X 射線空間望遠(yuǎn)鏡（上）

文/ 葉楠

X 射線

X 射線是一種高能電磁輻射，波長(zhǎng)范圍一般在3 納米至0.03 納米之間，對(duì)應(yīng)能量范圍在100eV 至200keV 之間。通常將能量高于5keV 至10keV、對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)小于0.2 至0.1 納米的X 射線稱(chēng)為硬X 射線，反之能量較低、波長(zhǎng)較長(zhǎng)的X 射線稱(chēng)為軟X 射線。1895 年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了X射線，他將其命名為“X”，以表明這是一種當(dāng)時(shí)未知類(lèi)型的輻射。這個(gè)名字也被一直保留下來(lái)，有時(shí)我們也用“倫琴射線”這個(gè)名字代表X 射線。倫琴也因這一發(fā)現(xiàn)獲得了1901 年第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖為1895 年倫琴拍攝的他妻子戴戒指的手，這也是歷史上第一張X 射線照片。

X 射線被發(fā)現(xiàn)后，由于其強(qiáng)大的穿透特性引起了醫(yī)學(xué)界的極大關(guān)注，諸多關(guān)于X 射線醫(yī)療應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始廣泛出現(xiàn)，但與此同時(shí)帶來(lái)的還有燒傷、脫發(fā)、腫脹、水泡等肉眼可見(jiàn)的負(fù)面作用。長(zhǎng)期暴露在X 射線環(huán)境下會(huì)對(duì)人體機(jī)能造成極大損害，還好我們的地球有大氣層的保護(hù)，來(lái)自于天體的X 射線輻射都會(huì)被大氣層所阻擋。因此，如果我們想探測(cè)其他天體的X 射線輻射，就必須要飛到大氣層之上。

埃洛比火箭

埃洛比火箭（左圖為埃洛比150 型火箭）是德國(guó)V-2 火箭改造后的產(chǎn)物，高度只有8 米，用來(lái)探測(cè)高層大氣和外太空輻射?；鸺陲w出地球大氣層后約有幾分鐘可以用來(lái)收集數(shù)據(jù)，之后數(shù)據(jù)會(huì)跟隨返回設(shè)備以軟著陸方式返回地面（右圖為1951 年火箭返回設(shè)備著陸后的場(chǎng)景）。依靠埃洛比火箭，人類(lèi)首次在大氣層外探測(cè)到了來(lái)自于太陽(yáng)的X 射線輻射。

意大利裔美國(guó)天文學(xué)家里卡多·賈科尼領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在1962 年6 月12 日的一次探測(cè)中，發(fā)現(xiàn)了來(lái)自于太陽(yáng)系外的第一個(gè)X 射線輻射源——天蝎座X-1。作為X 射線天文學(xué)的開(kāi)端，40 年后賈科尼因這一發(fā)現(xiàn)獲得了2002 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。埃洛比火箭作為一種低成本小型科研火箭，一直服役到1985 年，共完成1037 次發(fā)射。

印度首顆人造衛(wèi)星

1972 年，印蘇簽署協(xié)議，蘇聯(lián)以幫助印度發(fā)射衛(wèi)星來(lái)?yè)Q取印度港口的使用權(quán)。1975 年4 月19 日，以5 世紀(jì)末印度著名數(shù)學(xué)家及天文學(xué)家阿耶波多名字命名的印度第一顆人造衛(wèi)星（左圖）從位于蘇聯(lián)的卡普斯京亞爾航天發(fā)射場(chǎng)升空，衛(wèi)星軌道高度563 公里×619 公里、傾角50.7 度。衛(wèi)星是一個(gè)直徑約1.4 米的多面體，表面布滿太陽(yáng)能電池板，它攜帶的設(shè)備可以進(jìn)行X 射線及太陽(yáng)物理方面的觀測(cè)。但不幸的是僅僅4 天后，由于供電故障，所有觀測(cè)設(shè)備停止運(yùn)行。隨著軌道慢慢衰減，1992 年2 月11 日，“阿耶波多號(hào)”再入大氣層燒毀。作為印度第一顆人造衛(wèi)星，“阿耶波多號(hào)”從1976 年至1997 年都被印在2 盧比紙幣的背面（右圖）。

烏呼魯X 射線衛(wèi)星

烏呼魯X 射線衛(wèi)星也稱(chēng)為小型天文衛(wèi)星1 號(hào)（SAS-1）或探險(xiǎn)者42 號(hào)。這是人類(lèi)發(fā)射的第一顆專(zhuān)門(mén)用于X 射線天文觀測(cè)的衛(wèi)星，可在2 ～20keV 能量范圍內(nèi)搜尋宇宙X 射線源，靈敏度約為蟹狀星云發(fā)射強(qiáng)度的千分之一，也標(biāo)志著空間X 射線天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)始。1970 年12 月12 日，SAS-1 從位于肯尼亞?wèn)|海岸印度洋上的圣馬可海上平臺(tái)（左圖）發(fā)射升空，軌道高度520 公里×540 公里、傾角3 度、公轉(zhuǎn)周期96 分鐘?！盀鹾趑敗痹谒雇呦＠镎Z(yǔ)里的意思是“自由”，這也成了SAS-1 的昵稱(chēng)。

在SAS-1 升空之前，人類(lèi)只知道除太陽(yáng)外的兩個(gè)X 射線源：天蝎座X-1 和蟹狀星云。SAS-1 作為第一顆X 射線衛(wèi)星在軌運(yùn)行超過(guò)兩年時(shí)間，根據(jù)它的數(shù)據(jù)編制了烏呼魯星表，一共發(fā)行了四版，最后一版名為4U 星表，包含339 個(gè)天體。右圖是根據(jù)SAS-1 數(shù)據(jù)繪制的X 射線源全天分布圖，其中很多我們現(xiàn)在都耳熟能詳，例如天鵝座X-1，它是黑洞的第一候選體；3C 273，它是后續(xù)人類(lèi)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)的第一個(gè)類(lèi)星體；船帆座X-1、武仙座X-1 以及半人馬座X-3，這幾個(gè)都是X 射線雙星。甚至在它的發(fā)現(xiàn)中還包括數(shù)個(gè)來(lái)自于銀河系之外的X 射線源。

氣球與氣球火箭探測(cè)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的埃洛比火箭發(fā)射高度可以超過(guò)200 公里，但是它最大的缺點(diǎn)是可觀測(cè)時(shí)間非常短暫。如果對(duì)高度要求不太高，氣球探測(cè)可成為一種成本更低、觀測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)的選擇。高空探測(cè)氣球更多應(yīng)用在氣象和大氣研究方面，它最高可以飛到近40 公里。1964 年7月21 日，一枚攜帶X 射線探測(cè)設(shè)備的氣球從美國(guó)德州巴勒斯坦升空，在這里第一次發(fā)現(xiàn)了來(lái)自于蟹狀星云中心的硬X 射線輻射。

在此之前，美國(guó)海軍還研制了一種氣球火箭，利用氣球?qū)⒒鸺龓У礁邔哟髿?，再進(jìn)行點(diǎn)火發(fā)射，這樣可以節(jié)省化學(xué)燃料。但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯：一是負(fù)載較低，二是著陸點(diǎn)難以確定。圖為1953 年的一次氣球火箭升空。

高能天文臺(tái)1 號(hào)與2 號(hào)

美國(guó)宇航局在20 世紀(jì)70 年代末至80 年代初施行的高能天文臺(tái)項(xiàng)目，簡(jiǎn)稱(chēng)HEAO，包括3 個(gè)大型地球低軌道衛(wèi)星，用于X 射線和γ 射線波段天文學(xué)觀測(cè)及宇宙線研究。HEAO-1 發(fā)射于1977 年8 月12 日，攜帶的四臺(tái)儀器可在0.2keV 至10MeV 能量范圍內(nèi)進(jìn)行巡天觀測(cè)。對(duì)于南北黃極附近的X 射線源，它還可以提供3至6 小時(shí)的連續(xù)觀測(cè)。HEAO-2 發(fā)射于1978 年11 月13 日，進(jìn)入軌道后更名為愛(ài)因斯坦天文臺(tái)。在此之前的X射線衛(wèi)星都是采用大視場(chǎng)巡天觀測(cè)，而HEAO-2 攜帶的X射線掠射望遠(yuǎn)鏡是一種新型的小視場(chǎng)探測(cè)器，配合高分辨率成像相機(jī)，其靈敏度和分辨率提高了數(shù)百倍，工作能量范圍在0.2keV至3.5keV。HEAO-3 在本刊今年第四期已做過(guò)介紹。

小型天文衛(wèi)星3 號(hào)

小型天文衛(wèi)星3 號(hào)（SAS-3）也被稱(chēng)為探險(xiǎn)者53 號(hào)，是美國(guó)宇航局的一顆X 射線天文衛(wèi)星。1975年5 月7 日，SAS-3 從圣馬可海上平臺(tái)發(fā)射升空。SAS-3 正常在軌運(yùn)行了近4 年時(shí)間，發(fā)現(xiàn)了十幾個(gè)X射線快暴源，根據(jù)其數(shù)據(jù)可確定這些源與中子星雙星系統(tǒng)之間存在聯(lián)系。此外，它還能夠?yàn)閄 射線源提供足夠精度的定位，對(duì)于尋找光學(xué)對(duì)應(yīng)體提供了極大的幫助。

天鵝號(hào)與天馬號(hào)

1979 年2 月21 日，天鵝號(hào)X 射線衛(wèi)星（左圖）發(fā)射升空，這是日本成功發(fā)射的第一顆天文觀測(cè)衛(wèi)星，由當(dāng)時(shí)隸屬于東京大學(xué)的空間與航空科學(xué)研究所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，它的主要成果包括發(fā)現(xiàn)X 射線暫現(xiàn)源半人馬座X-4 和天鷹座X-1；對(duì)包括船帆座X-1 在內(nèi)的多顆X 射線脈沖星進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等。

1983 年2 月20 日，日本第二顆X 射線衛(wèi)星“天馬號(hào)”（右圖）成功發(fā)射，在一年半的工作時(shí)間里，“天馬號(hào)”在X 射線雙星及活動(dòng)星系核中發(fā)現(xiàn)鐵元素發(fā)射線；在一次X 射線暴光譜中發(fā)現(xiàn)了位于4keV 處的吸收線等。

歐洲X 射線天文衛(wèi)星

1983 年5 月26 日，歐空局的歐洲X 射線天文衛(wèi)星（EXOSAT）被發(fā)射到一個(gè)偏心率達(dá)到0.93 的軌道，近地點(diǎn)347 公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)191709 公里、傾角72.5 度。之所以選擇這一軌道，是為了最大限度地利用月球進(jìn)行月掩X 射線源觀測(cè)，以更精確地確定它的位置。EXOSAT 公轉(zhuǎn)一周需要90.6 小時(shí)，其中76個(gè)小時(shí)可對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。EXOSAT 也是第一批攜帶計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星之一，在其3 年的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)超新星遺跡、活動(dòng)星系核、X 射線雙星等進(jìn)行了超過(guò)1800 次觀測(cè)。最大發(fā)現(xiàn)是在X 射線雙星內(nèi)發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)周期震蕩現(xiàn)象，以及活動(dòng)星系核快速變化的X 射線輻射，這被認(rèn)為是活動(dòng)星系核內(nèi)存在超大質(zhì)量黑洞的主要證據(jù)。

石榴號(hào)

“石榴號(hào)”（左圖）的全稱(chēng)為國(guó)際天體物理天文臺(tái)（GRANAT），是蘇聯(lián)與法國(guó)、丹麥、保加利亞合作開(kāi)發(fā)的空間天文臺(tái)，于1989 年12 月1 日由質(zhì)子號(hào)火箭（右圖）送入太空。與EXOSAT 類(lèi)似，“石榴號(hào)”也被放置在一個(gè)高偏心率軌道，近地點(diǎn)1760 公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)202480 公里、傾角51.9 度、公轉(zhuǎn)周期98 小時(shí)。整個(gè)衛(wèi)星高6.5 米、長(zhǎng)8.5 米，重達(dá)4.4 噸，其中科學(xué)儀器2.3 噸。利用其攜帶的7 套科學(xué)儀器，在其運(yùn)行9 年期間發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)第一個(gè)微類(lèi)星體；發(fā)現(xiàn)了20 個(gè)黑洞和中子星候選體；對(duì)銀河系中心進(jìn)行了深度成像觀測(cè)，累積曝光時(shí)間達(dá)到58 天。由于“石榴號(hào)”工作期間正趕上東歐劇變，后續(xù)運(yùn)行工作主要由法國(guó)航天局負(fù)責(zé)。