發(fā)展中的X射線空間望遠鏡

文/李會超

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

天基X射線觀測的開始

第一顆進行X射線探測的衛(wèi)星為美國的Uhuru衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星于1970年12月12日進入了遠地點560公里、近地點520公里的近地軌道，開始了X射線天文學的新紀元。在此之前，人們主要以探空火箭為X射線天文學的探測工具。然而，探空火箭在空中停留的時間短，設備的探測精度也有限。“Uhuru”的探測精度比以往的探測精度高出了10倍，上天一星期所接收到的數(shù)據(jù)量就超過了以往所有的X射線天文學探測數(shù)據(jù)。然而，“Uhuru”上并沒有成像設備，其攜帶的計數(shù)器只能區(qū)分某一方向X射線總體上的強弱。

其后的1978年11月13日，第一個搭載了X射線望遠鏡的探測器HEAO-II被發(fā)射升空。由于1979年是愛因斯坦誕辰100周年，這顆衛(wèi)星上天后被重新命名為“愛因斯坦X射線望遠鏡”。由于這顆衛(wèi)星可以傳回圖像信號，使得科學家們不但對已知的X射線源進行了更深入的研究，還作出了不少新的發(fā)現(xiàn)。例如，天文學家們發(fā)現(xiàn)許多活動星系核都是強大的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總量的信息。

▲Uhuru衛(wèi)星

▲在廠房中的Uhuru衛(wèi)星

▲愛因斯坦X射線望遠鏡

▲廠房中的愛因斯坦X射線望遠鏡

▲對愛因斯坦X射線望遠鏡進行測試

▲錢德拉X射線望遠鏡

錢德拉X射線空間望遠鏡

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

▲“錢德拉”拍攝到的星云

“錢德拉”并非由火箭發(fā)射升空，而是搭乘哥倫比亞號航天飛機執(zhí)行的STS-93任務，由航天飛機釋放到太空中。“錢德拉”的軌道高度相當高，近地點的距離已經(jīng)達到約1.4萬公里，而遠地點的高度更高達13萬公里。選擇如此高的軌道是為了避開地球磁層內部的輻射帶對于X射線天文觀測的干擾，從而保證探測器搭載的高分辨率設備能夠得到滿意觀測的結果。

▲航天飛機釋放錢德拉X射線望遠鏡

“錢德拉”搭載了一臺掠入射式X射線望遠鏡，望遠鏡的角分辨率可達0.5角秒，相比于愛因斯坦X射線望遠鏡足足提高了1000倍。構成望遠鏡反射面的，是33納米厚的銥元素涂層。當望遠鏡將X射線聚焦后，安裝在望遠鏡后端的四臺科學儀器將對X射線進行成像或分析。他們中，“高分辨率相機”只負責得到分辨率較高的圖像，而“先進CCD成像光譜儀”則可以同時獲取圖像信息與光譜信息。此外，還有兩臺衍射光柵光譜儀，可以對不同能量段的X射線進行比較精細的光譜分析。時至今日，已經(jīng)超期服役的錢德拉X射線德拉”十分相似。

頗具悲情色彩的日本望遠鏡

進入新世紀后，日本也開始研發(fā)X射線空間望遠鏡。然而，其任務進行得都不順利，頗有幾分悲情色彩。

2000年，日本的第一顆X射線空間望遠鏡天文-E出師未捷身先死。發(fā)射它的M-V-4運載火箭在起飛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載火箭，主要用來發(fā)射質量不大的科學探測衛(wèi)星。此后的2005年，日本人又制造了一顆設計基本相同的天文-E II衛(wèi)星，在使用M-V-4火箭發(fā)射成功后，將這個X射線空間望遠鏡重命名為“朱望遠鏡仍在正常工作。

▲天文-E II衛(wèi)星

同一時期，歐空局研發(fā)了XMM-牛頓X射線空間望遠鏡，其功能與“錢雀”號。

“朱雀”雖然成功進入了太空，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。對于天文觀測來說，相關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)無法再有效穩(wěn)定溫度，這個空間望遠鏡最主要的后端儀器——X射線光譜儀停止工作。不過，依靠剩下的X射線成像光譜儀和硬X射線探測器，“朱雀”還是取得了一定的科學成果。例如，利用“朱雀”的觀測數(shù)據(jù)，天文學家們發(fā)現(xiàn)新類型的超新星爆發(fā)遺跡。

▲朱雀號望遠鏡工作示意圖

▲瞳X射線空間望遠鏡

2015年，“朱雀號”因為衛(wèi)星狀態(tài)不穩(wěn)定而終止工作，取代它的是“瞳”號X射線空間望遠鏡。這個望遠鏡裝備了先進的科學儀器，能夠對軟X射線和硬X射線同時實現(xiàn)成像觀測。然而，當“瞳”進入太空不久后，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”實際不存在的衛(wèi)星姿態(tài)擾動，使衛(wèi)星從穩(wěn)定工作狀態(tài)進入了姿態(tài)開始失控的旋轉狀態(tài)。當發(fā)現(xiàn)姿態(tài)的問題后，衛(wèi)星自動進入了安全模式，開始使用衛(wèi)星上的噴嘴幫助校正姿態(tài)問題。然而，由于一段編寫錯誤的程序，噴嘴校正姿態(tài)的方向與正確方向恰好相反，導致衛(wèi)星越轉越快，最終在太空中解體。當衛(wèi)星與地面剛剛失聯(lián)時，美國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，但日本技術人員從一個錯誤接收到的無線電信號判斷，衛(wèi)星還有搶救一下的可能。然而，在徒勞一段時間后，他們終于接受了“瞳”已經(jīng)在太空中解體的事實。替換“瞳”的X射線空間望遠鏡已經(jīng)開始研制，計劃于2020年發(fā)射。

▲慧眼硬X射線望遠鏡

▲慧眼X射線望遠鏡內部結構圖

中國的X射線空間望遠鏡

2017年6月15日，中國的第一顆X射線空間望遠鏡“慧眼”成功發(fā)射。慧眼衛(wèi)星的全名是“硬X射線調制望遠鏡”，可觀測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射線巡天觀測和黑洞、中子星等高能天體的觀測。

▲測試“慧眼”

對于硬X射線，“慧眼”通過準直器和相關的后處理過程，實現(xiàn)X射線的觀測。準直器只允許與它成特定夾角的X射線穿過。通過調整衛(wèi)星的姿態(tài)，使得準直器掃過天空的不同地區(qū)，測量得到不同天區(qū)的X射線強度，再利用我國自主研發(fā)的后處理方法，即可實現(xiàn)天體的X射線成像。慧眼衛(wèi)星的視場較大，能夠在同一時刻觀察到較大面積的一片天空，在進行巡天觀測時，只需兩天就可以完成銀道面的掃描。在最初的設計中，科學家們僅計劃對以往較難觀測的硬X射線波段展開研究，但隨著項目不斷深入，科學家們發(fā)現(xiàn)只要對衛(wèi)星的設備稍加改進升級，就能實現(xiàn)對軟X射線和伽瑪射線的觀測，使衛(wèi)星覆蓋的波譜范圍大大提升。

目前，中國的另一顆X射線空間望遠鏡“愛因斯坦探針”正在進行工程研制。這個空間望遠鏡主要聚焦時域天文學的研究，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)生的時間和位置都很難預測，必須快速而不間斷地對整個天空進行“掃描”，才有可能捕捉到他們的蹤跡。“愛因斯坦探針”計劃采用“龍蝦眼”這一新X射線望遠鏡結構，可以實現(xiàn)對X射線的大視場、高靈敏度觀測，滿足時域天文學的觀測要求，進一步提高中國在高能天體物理領域中的研究水平，也為全世界的天文學家?guī)硇碌难芯繑?shù)據(jù)。