文 綠 茵

太空巡警：X射線天文衛(wèi)星

文 綠 茵

天文衛(wèi)星也叫空間望遠(yuǎn)鏡，它通過探測各種天體發(fā)出的不同波譜、不同強(qiáng)度的電磁波了解宇宙，改變了以往坐地觀天的傳統(tǒng)，擺脫了大氣層對天文觀測的影響，相當(dāng)于把天文觀測臺搬進(jìn)太空。更重要的是，天文衛(wèi)星能在全頻段范圍內(nèi)對宇宙空間進(jìn)行詳細(xì)觀測，對人類認(rèn)識宇宙有革命性的推動。

近年來，各國X射線空間望遠(yuǎn)鏡開始陸續(xù)升空，大大開拓了天文學(xué)家的視野，增加了他們了解宇宙中一些神秘天體的可能性。

美國發(fā)射的“核區(qū)分光望遠(yuǎn)鏡陣列”高能天文衛(wèi)星

各有所長

宇宙中的天體每時每刻都在發(fā)射電磁波，由于各種天體的性質(zhì)和特點不同，因此所發(fā)出的電磁波也不同。目前天文衛(wèi)星大多是按照所觀測天體的電磁波譜來分類，分為紅外天文衛(wèi)星、紫外天文衛(wèi)星、X射線天文衛(wèi)星和?射線天文衛(wèi)星等。這些天文衛(wèi)星各有所長，但誰也不能“一統(tǒng)天上”，這是因為僅靠某一顆天文衛(wèi)星很難對宇宙進(jìn)行全頻段觀測。

一般來說，天體溫度越高，發(fā)出的電磁波波長越短。在電磁波譜中，?射線的波長最短，X射線次之，接下來依次是紫外線、可見光、紅外線和射電波。人類可以利用這一特性，通過觀測天體發(fā)出的電磁波分析它們的類型和特征。

近年來，X射線天文衛(wèi)星成果頗多，也越來越受天文學(xué)家們的青睞。這種衛(wèi)星又被稱為空間高能天文衛(wèi)星或空間高能望遠(yuǎn)鏡，因為它們主要用于觀測宇宙中的高溫天體和宇宙中發(fā)生的高能物理過程——宇宙中很多極端天體的物理過程都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的X射線高溫氣體，比如白矮星、中子星和黑洞吸收物質(zhì)的過程。

由于宇宙中許多天體都發(fā)射X射線，因此探測宇宙中的X射線對探索宇宙奧秘具有重要意義。又由于X射線極易被介質(zhì)吸收，介質(zhì)對X射線的折射率非常低，所以在地面進(jìn)行高能X射線的收集和聚焦非常困難。即使在太空觀測X射線，望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計也要非常講究，不能選用普通的折射系統(tǒng)，而要讓射線以掠射方式射入鏡面才行。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡

我國研制的首顆天文衛(wèi)星——“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”將于2015年正式升空。它是一顆工作于硬X射線能區(qū)(1～250千電子伏特)的空間高能天文衛(wèi)星，用于完成深度巡天，可發(fā)現(xiàn)大量巨型黑洞、大批硬X射線天體和一系列天體高能輻射新現(xiàn)象，并繪出高精度的硬X射線天圖。

該衛(wèi)星具有比歐洲“國際?射線天體物理實驗臺”、美國“雨燕”更強(qiáng)大的成像能力和獨一無二的定向觀測能力，能以最高靈敏度和分辨率發(fā)現(xiàn)大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和其他未知類型高能天體，從而對宇宙硬X射線背景的性質(zhì)做深入研究。

我國“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”在軌運(yùn)行示意圖

“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”攜帶的低能(1～15千電子伏特)、中能(5～30千電子伏特)和高能(20～250千電子伏特)三個望遠(yuǎn)鏡，都是準(zhǔn)直型探測器，直接調(diào)節(jié)掃描數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)高分辨和高靈敏度成像以及對彌散源的成像；而大面積準(zhǔn)直探測器又能獲得特定天體目標(biāo)的高統(tǒng)計和高信噪比數(shù)據(jù)，使“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”既能實現(xiàn)大天區(qū)成像，又能通過寬波段時變和能譜觀測研究天體高能過程。

各國競相研制

由于X射線空間望遠(yuǎn)鏡不斷產(chǎn)生重大天文發(fā)現(xiàn)，引發(fā)了一些國家爭相研制空間高能天文望遠(yuǎn)鏡的浪潮，僅今年就將增加3個。

計劃今年發(fā)射的俄羅斯“光譜-X-?”衛(wèi)星，主要用于探測上千個星系團(tuán)和星系群中的熱星系際介質(zhì)以及星系團(tuán)之間的纖維狀熱氣體，從而研究宇宙的結(jié)構(gòu)演化。

印度的“天文衛(wèi)星”也擬于今年入軌。它是印度首顆天文衛(wèi)星，主要用于監(jiān)測宇宙天體源的輻射強(qiáng)度變化，對X射線雙星、活動星系核、超新星遺跡和恒星冕進(jìn)行光譜觀測和監(jiān)視可能出現(xiàn)的瞬變源等。

2013年，日本也將發(fā)射“天文-H”高能天文衛(wèi)星，預(yù)計該衛(wèi)星將在空間高能天文領(lǐng)域獲得大批重要的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)對宇宙的極端物理現(xiàn)象，尤其是強(qiáng)引力場和強(qiáng)磁場中的物理過程的理解。

將于2021年發(fā)射的美國“國際X射線天文臺”衛(wèi)星

2021年，由美、歐、日聯(lián)合研制的“國際X射線天文臺”將入軌，用于捕獲宇宙邊緣處黑洞發(fā)出的信號，并研究它們和宇宙原初星系的關(guān)系以及演化過程，了解宇宙的起源和組成。該衛(wèi)星裝有口徑約3米、焦距12米的光學(xué)系統(tǒng)和6個焦平面探測器系統(tǒng)，具有前所未有的綜合科學(xué)能力，其有效面積和能量分辨率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越以前所有的空間高能天文衛(wèi)星。

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已發(fā)射的X射線空間望遠(yuǎn)鏡

1999年7月23日，美國“錢德拉”X射線空間望遠(yuǎn)鏡升空。其主鏡為4臺套筒式掠射望遠(yuǎn)鏡。該衛(wèi)星在0.1～10千電子伏特之間有較高的靈敏度，因此能研究極弱的X射線源。

1999年12月10日發(fā)射的歐洲“牛頓”X射線多鏡面衛(wèi)星主要用于研究1～120納米的電磁波譜區(qū)域，覆蓋了0.1～12千電子伏特的能量范圍，能收集到宇宙中30000顆星星的X射線光譜。

2005年7月10日，日本發(fā)射了“天體-E2”X射線天文觀測衛(wèi)星。該衛(wèi)星覆蓋的能量范圍是0.4～700千電子伏特，可與美國的“錢德拉”和歐洲的“牛頓”共同觀測一個天體，利用各自的特長收集資料。

2012年6月13日入軌的美國“核區(qū)分光望遠(yuǎn)鏡陣列”衛(wèi)星，可觀測來自天體的5～80千電子伏特之間的高能X射線，尤其是核光譜。其主要科學(xué)目標(biāo)是深度探索質(zhì)量超過太陽10億倍的黑洞以及了解重元素如何在超新星中形成等。