NuSTAR：探索高能X射線宇宙

□ 謝懿/編譯

核分光望遠鏡陣（NuSTAR）可以看到其他望遠鏡無法看見的高能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，天文學家僅用自己的眼睛來審視我們的宇宙。雖然對我們來說相當有用，但肉眼只能探測到一種類型的電磁輻射——可見光。人類花了很長時間，才把目光移到了這個有限的波長范圍之外。1800年，生于德國的英國天文學家威廉·赫歇爾發現了紅外輻射；次年，德國物理學家約翰·威廉·里特發現了紫外線。在這之后，微波（1864年）、射電波（1887 年）、X射線（1895年）和γ射線（1900年）相繼被發現。每當在電磁波中開辟出新的領域，新的發現就會接踵而至。

在過去的一個世紀里，天文學家已經研究了所有形式的輻射，但始終無法在高能X射線波段獲得清晰的影像。科學家們用電子伏特來定量描述輻射的能量。可見光的能量在1.6～3.4個電子伏特之間。高能X射線的能量要高得多，在3000電子伏特～79 000電子伏特。觀測這些“硬”X射線輻射正是核分光望遠鏡陣（NuSTAR）的專長。

新的途徑

地球的大氣層會完全吸收掉這些高能的輻射——對我們來說是幸運的事情！但對天文觀測來說，就得另辟蹊徑。科學家們多年來一直使用高空氣球、探空火箭以及衛星來擺脫大氣層的干擾。

NuSTAR在軌藝術概念圖，它長10.2米的桅桿會在入軌后伸展開

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

2005年，美國航宇局批準了NuSTAR項目，但一年后卻由于預算削減而被取消。差一點就胎死腹中。幸運的是NuSTAR的團隊最終說服了美國航宇局。

2012年6月13日，搭乘一枚“飛馬”XL空射火箭，NuSTAR發射升空。現在，有幾十個科學家和工程師團隊正在通過NuSTAR所打開的這扇窗口來望宇宙。

新的設計

NuSTAR是一種掠射式望遠鏡，由兩個對齊的沃爾特望遠鏡構成。這是因為普通的望遠鏡鏡面要么會吸收X射線，要么對X射線來說是透明的。NuSTAR的鏡面具有特殊的鍍膜，對于入射的輻射其傾角不超過2°。于是，X射線會在反射鏡上以很小的角度被反射。它每一個光學組件的焦距都長達10.2米，位于一根長桅桿的端部。NuSTAR進入軌道之后，桅桿就會伸展開。

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。在此前的任務中采用黃金和鉑金這樣的高密度元素作為涂層材料，但對于高能量X射線而言它們的效果并不理想。因此，對于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。相比于之前的X射線望遠鏡，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射線爆發過程（右側：爆發前、爆發時、爆發后）

NuSTAR每個光學聚焦器件實際上是一組由內而外相互嵌套的130個同心殼層。工程師在殼層之間放置了石墨墊片，并用環氧樹脂將它們束縛在一起。65個內殼層各有6個反光鏡面，而65個外殼則每個含有12個鏡面。

按計劃，NuSTAR主任務階段只有2年，美國航宇局現在已經延長其工作時間。科學家們將用它來研究不可見的高能宇宙，尤其是天文學所鐘愛的黑洞、耀變體和超新星。

審視黑洞

銀河系的核心是NuSTAR的首批觀測目標。可見光望遠鏡無法穿透銀心附近區域中的氣體和塵埃云。幸運的是，高能X射線可以輕易地穿過所有這些物質，讓NuSTAR能看到它們。

天文學家把NuSTAR指向了——但并沒有直接對準——銀河系的中心，那里潛藏著一個超大質量黑洞。它被稱為人馬A*，質量是太陽的大約400萬倍。

以前的觀測已在這個黑洞周圍的區域中發現了許多的X射線源，所以那是一片狩獵恒星質量黑洞和其他另類天體的沃土。天文學家想知道，除了銀心的超大質量黑洞之外，那里還有多少其他的黑洞。

當一顆大質量恒星爆炸成超新星時，它的核心會坍縮成一個超高密度的天體，天文學家稱之為黑洞。它的引力非常強大，即使是光也無法從那里逃脫，因而看上去“黑”。

黑洞會吞下任何越過其引力邊界的物體，這道邊界被稱為事件視界。就在它的外面，超高溫的物質會形成一個吸積盤。這個盤會發出X射線，它可以向科學家吐露黑洞的存在，而黑洞本身則是無法被直接看到的。

一旦天文學家發現了一個黑洞，下一步就是測定它的質量和自轉速度。黑洞的質量相差極大，從幾倍于太陽質量的黑洞到數百萬甚至數十億倍于太陽超大質量黑洞不等。

科學家們也會使用NuSTAR來尋找位于其他星系中的黑洞。它首先會觀測那些已經發現可見光和紅外對應體的目標，即它們的位置和X射線源相重合。X射線單獨無法告訴天文學家很多有關這些天體的信息，但其他波長的輻射例如可見光則可以。

新型黑洞

天文學家必須要放眼銀河系之外，只有這樣才能去探測一種神秘的天體，它被稱為極亮X射線源，于20世紀80年代首次被發現。這些天體的X射線亮度高于任何的恒星或恒星質量黑洞，但又不及超大質量黑洞。這讓天文學家們倍感困惑。關于極亮X射線源是什么有一些理論，但它們大多數都涉及到一種新型的黑洞。

藍色所標記的是NuSTAR探測到的超大質量黑洞發出的高能X射線，這些超大質量黑洞到我們的距離在30億～100億光年不等

目前，天文學家已經知道有恒星質量黑洞和超大質量黑洞，而新的發現則提出存在一個中間地帶——中等質量黑洞，它的質量可以讓恒星質量黑洞相形見絀，同時又遠小于星系中心的超大質量黑洞。雖然天文學家已經知道了這些中等質量天體的存在，但卻并不清楚它們是如何形成的。

中等質量黑洞究竟是如何形成的仍是一個懸而未決的問題。有些理論認為，在致密的星團中，它們可以通過不斷的并合而形成，但也仍有不少問題有待解答。

最近，天文學家使用NuSTAR研究了一個中等質量黑洞可能的候選體ESO 97-G13，它位于1 300萬光年遠的圓規星系中，該星系是距離銀河系最近的活動星系之一。在這個過程中，還利用了其他空間望遠鏡的歸檔數據，以此可以了解它在不同時期和不同波段上的樣子。

結果顯示，ESO 97-G13的質量大約為太陽的100倍。如果這一發現得到其他觀測的確認，將意味著它是一個非常巨大的恒星質量黑洞，位于中等質量黑洞的質量范圍的下邊界附近。

黑洞計數

當然，NuSTAR也可以發現其他各種質量的黑洞，而且還是無心之舉。當時天文學家正在觀測已知的目標，但卻在圖像的背景中發現了10個超大質量黑洞。

天文學家發現，其他的X射線衛星此前已發現了它們，但直到NuSTAR的觀測才使得這些黑洞激起了大家的興趣。這些以及NuSTAR的其他發現將有助于天文學家估計出宇宙中究竟包含有多少個黑洞。

這個謎題一直可以追溯到1962年。當時，天文學家已經注意到了天空背景中彌漫著的X射線輝光，但卻無從知曉它們的來源。現在，我們知道遙遠的超大質量黑洞是它們的源頭，但是仍需要NuSTAR來進一步探測和了解黑洞的整個族群。這正得益于NuSTAR的觀測能力，它可以輕松地看“穿”遮擋超大質量黑洞濃厚物質墻。

結果顯示，距離越遙遠的超大質量黑洞，往往位于越大的星系中。這在預料之中，因為在宇宙更為年輕的時候，有更多較大的星系在碰撞、合并和成長。

NuSTAR對超新星遺跡仙后A的觀測顯示，其中鈦（藍色）的分布并不均勻，為超新星爆發背后的機制提供了線索

審視耀變體

最活躍的活動星系會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。天文學家相信，這些噴流發源來自這些星系中央的超大質量黑洞。

有時，黑洞的噴流會沿著其吸積盤的自轉軸射出。當然，噴流的空間指向完全是任意的。但當它們指向地球的時候，就會在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受到擾動，流向中央黑洞。黑洞的引力會俘獲這些下落的物質，產生輻射爆發。雖然這些爆發遠在數十億光年之外，NuSTAR仍能探測到它們。

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

勘測超新星

除了研究大尺度的爆發事件之外，NuSTAR也可以細致地勘測小尺度的天體，例如超新星。從宇宙早期至今，宇宙中的物質組成一直在不斷地循環。恒星會生老病死，其中質量最大的會把自身炸成碎片，釋放出在核心處鍛造出的重元素。這些物質會進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時大質量恒星的核心處于什么樣的狀態，例如溫度、壓強和成分等。

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年首次被發現，是一個射電源。結果顯示，鈦的分布并不均勻，這為超新星爆發的機制提供了線索。

NuSTAR所觀測到的太陽發出的高能X射線輻射（綠色和藍色）。發出這些高能X射線輻射的氣體其溫度高達300萬度

恒星實質上都是氣體球，于是就會想當然地認為在它們爆炸時也會呈球形。但NuSTAR的觀測卻發現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所致。

NuSTAR對超新星爆炸了解得越多，天文學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？

在NuSTAR所觀測的目標中，有一個甚至比銀河系中的超新星到我們的距離還要近數十億倍。它就是太陽的日冕——太陽表面之外溫度高達數百萬度的等離子體區域。除了在日全食期間，通常情況下看不見日冕。它們是等離子環從太陽表面延伸出的活動區域，太陽耀斑的突然增亮和日冕物質的拋射都會影響到它。研究太陽日冕的天文學家想要回答一個問題：日冕的溫度為什么會這么高？

一些天文學家認為，是大量的微型太陽耀斑加熱了日冕。由于微型耀斑會產生高能X射線，NuSTAR就成為了用來研究它們的首選工具。

為了驗證這一觀點，天文學家把它對準了太陽的活動區，那里的強磁場通常與太陽黑子有關。此外，NuSTAR還觀測了發生在太陽表面的正常耀斑。

研究從距離我們最近的恒星到最遙遠的星系，NuSTAR以此前從未有過的深度和廣度放眼了高能X射線下的宇宙。如果說NuSTAR這些最新的發現告訴了我們什么的話，那就是每當打開一扇通往宇宙的新窗口必定會有意想不到的精彩發現。