圖解空間望遠鏡發展史X 射線空間望遠鏡（上）

文/ 葉楠

X 射線

X 射線是一種高能電磁輻射，波長范圍一般在3 納米至0.03 納米之間，對應能量范圍在100eV 至200keV 之間。通常將能量高于5keV 至10keV、對應波長小于0.2 至0.1 納米的X 射線稱為硬X 射線，反之能量較低、波長較長的X 射線稱為軟X 射線。1895 年，德國物理學家威廉·倫琴無意中發現了X射線，他將其命名為“X”，以表明這是一種當時未知類型的輻射。這個名字也被一直保留下來，有時我們也用“倫琴射線”這個名字代表X 射線。倫琴也因這一發現獲得了1901 年第一屆諾貝爾物理學獎。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 射線被發現后，由于其強大的穿透特性引起了醫學界的極大關注，諸多關于X 射線醫療應用的實驗開始廣泛出現，但與此同時帶來的還有燒傷、脫發、腫脹、水泡等肉眼可見的負面作用。長期暴露在X 射線環境下會對人體機能造成極大損害，還好我們的地球有大氣層的保護，來自于天體的X 射線輻射都會被大氣層所阻擋。因此，如果我們想探測其他天體的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V-2 火箭改造后的產物，高度只有8 米，用來探測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收集數據，之后數據會跟隨返回設備以軟著陸方式返回地面（右圖為1951 年火箭返回設備著陸后的場景）。依靠埃洛比火箭，人類首次在大氣層外探測到了來自于太陽的X 射線輻射。

意大利裔美國天文學家里卡多·賈科尼領導的團隊在1962 年6 月12 日的一次探測中，發現了來自于太陽系外的第一個X 射線輻射源——天蝎座X-1。作為X 射線天文學的開端，40 年后賈科尼因這一發現獲得了2002 年諾貝爾物理學獎。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 次發射。

印度首顆人造衛星

1972 年，印蘇簽署協議，蘇聯以幫助印度發射衛星來換取印度港口的使用權。1975 年4 月19 日，以5 世紀末印度著名數學家及天文學家阿耶波多名字命名的印度第一顆人造衛星（左圖）從位于蘇聯的卡普斯京亞爾航天發射場升空，衛星軌道高度563 公里×619 公里、傾角50.7 度。衛星是一個直徑約1.4 米的多面體，表面布滿太陽能電池板，它攜帶的設備可以進行X 射線及太陽物理方面的觀測。但不幸的是僅僅4 天后，由于供電故障，所有觀測設備停止運行。隨著軌道慢慢衰減，1992 年2 月11 日，“阿耶波多號”再入大氣層燒毀。作為印度第一顆人造衛星，“阿耶波多號”從1976 年至1997 年都被印在2 盧比紙幣的背面（右圖）。

烏呼魯X 射線衛星

烏呼魯X 射線衛星也稱為小型天文衛星1 號（SAS-1）或探險者42 號。這是人類發射的第一顆專門用于X 射線天文觀測的衛星，可在2 ～20keV 能量范圍內搜尋宇宙X 射線源，靈敏度約為蟹狀星云發射強度的千分之一，也標志著空間X 射線天文學時代的開始。1970 年12 月12 日，SAS-1 從位于肯尼亞東海岸印度洋上的圣馬可海上平臺（左圖）發射升空，軌道高度520 公里×540 公里、傾角3 度、公轉周期96 分鐘。“烏呼魯”在斯瓦希里語里的意思是“自由”，這也成了SAS-1 的昵稱。

在SAS-1 升空之前，人類只知道除太陽外的兩個X 射線源：天蝎座X-1 和蟹狀星云。SAS-1 作為第一顆X 射線衛星在軌運行超過兩年時間，根據它的數據編制了烏呼魯星表，一共發行了四版，最后一版名為4U 星表，包含339 個天體。右圖是根據SAS-1 數據繪制的X 射線源全天分布圖，其中很多我們現在都耳熟能詳，例如天鵝座X-1，它是黑洞的第一候選體；3C 273，它是后續人類發現確認的第一個類星體；船帆座X-1、武仙座X-1 以及半人馬座X-3，這幾個都是X 射線雙星。甚至在它的發現中還包括數個來自于銀河系之外的X 射線源。

氣球與氣球火箭探測

經過改進的埃洛比火箭發射高度可以超過200 公里，但是它最大的缺點是可觀測時間非常短暫。如果對高度要求不太高，氣球探測可成為一種成本更低、觀測時間更長的選擇。高空探測氣球更多應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 射線探測設備的氣球從美國德州巴勒斯坦升空，在這里第一次發現了來自于蟹狀星云中心的硬X 射線輻射。

在此之前，美國海軍還研制了一種氣球火箭，利用氣球將火箭帶到高層大氣，再進行點火發射，這樣可以節省化學燃料。但這種方式的缺點也很明顯：一是負載較低，二是著陸點難以確定。圖為1953 年的一次氣球火箭升空。

高能天文臺1 號與2 號

美國宇航局在20 世紀70 年代末至80 年代初施行的高能天文臺項目，簡稱HEAO，包括3 個大型地球低軌道衛星，用于X 射線和γ 射線波段天文學觀測及宇宙線研究。HEAO-1 發射于1977 年8 月12 日，攜帶的四臺儀器可在0.2keV 至10MeV 能量范圍內進行巡天觀測。對于南北黃極附近的X 射線源，它還可以提供3至6 小時的連續觀測。HEAO-2 發射于1978 年11 月13 日，進入軌道后更名為愛因斯坦天文臺。在此之前的X射線衛星都是采用大視場巡天觀測，而HEAO-2 攜帶的X射線掠射望遠鏡是一種新型的小視場探測器，配合高分辨率成像相機，其靈敏度和分辨率提高了數百倍，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介紹。

小型天文衛星3 號

小型天文衛星3 號（SAS-3）也被稱為探險者53 號，是美國宇航局的一顆X 射線天文衛星。1975年5 月7 日，SAS-3 從圣馬可海上平臺發射升空。SAS-3 正常在軌運行了近4 年時間，發現了十幾個X射線快暴源，根據其數據可確定這些源與中子星雙星系統之間存在聯系。此外，它還能夠為X 射線源提供足夠精度的定位，對于尋找光學對應體提供了極大的幫助。

天鵝號與天馬號

1979 年2 月21 日，天鵝號X 射線衛星（左圖）發射升空，這是日本成功發射的第一顆天文觀測衛星，由當時隸屬于東京大學的空間與航空科學研究所設計開發，它的主要成果包括發現X 射線暫現源半人馬座X-4 和天鷹座X-1；對包括船帆座X-1 在內的多顆X 射線脈沖星進行了長期監測等。

1983 年2 月20 日，日本第二顆X 射線衛星“天馬號”（右圖）成功發射，在一年半的工作時間里，“天馬號”在X 射線雙星及活動星系核中發現鐵元素發射線；在一次X 射線暴光譜中發現了位于4keV 處的吸收線等。

歐洲X 射線天文衛星

1983 年5 月26 日，歐空局的歐洲X 射線天文衛星（EXOSAT）被發射到一個偏心率達到0.93 的軌道，近地點347 公里、遠地點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行月掩X 射線源觀測，以更精確地確定它的位置。EXOSAT 公轉一周需要90.6 小時，其中76個小時可對同一目標進行連續觀測。EXOSAT 也是第一批攜帶計算機的衛星之一，在其3 年的觀測時間內對超新星遺跡、活動星系核、X 射線雙星等進行了超過1800 次觀測。最大發現是在X 射線雙星內發現的準周期震蕩現象，以及活動星系核快速變化的X 射線輻射，這被認為是活動星系核內存在超大質量黑洞的主要證據。

石榴號

“石榴號”（左圖）的全稱為國際天體物理天文臺（GRANAT），是蘇聯與法國、丹麥、保加利亞合作開發的空間天文臺，于1989 年12 月1 日由質子號火箭（右圖）送入太空。與EXOSAT 類似，“石榴號”也被放置在一個高偏心率軌道，近地點1760 公里、遠地點202480 公里、傾角51.9 度、公轉周期98 小時。整個衛星高6.5 米、長8.5 米，重達4.4 噸，其中科學儀器2.3 噸。利用其攜帶的7 套科學儀器，在其運行9 年期間發現了銀河系內第一個微類星體；發現了20 個黑洞和中子星候選體；對銀河系中心進行了深度成像觀測，累積曝光時間達到58 天。由于“石榴號”工作期間正趕上東歐劇變，后續運行工作主要由法國航天局負責。