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        圖解空間望遠鏡發(fā)展史X 射線空間望遠鏡(上)

        2020-06-22 07:22:14葉楠
        太空探索 2020年6期
        關鍵詞:左圖右圖升空

        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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)后,由于其強大的穿透特性引起了醫(yī)學界的極大關注,諸多關于X 射線醫(yī)療應用的實驗開始廣泛出現(xiàn),但與此同時帶來的還有燒傷、脫發(fā)、腫脹、水泡等肉眼可見的負面作用。長期暴露在X 射線環(huán)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(chǎn)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(shù)據(jù),之后數(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(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(shù)學家及天文學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(wèi)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(wèi)星

        烏呼魯X 射線衛(wèi)星也稱為小型天文衛(wèi)星1 號(SAS-1)或探險者42 號。這是人類發(fā)射的第一顆專門用于X 射線天文觀測的衛(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(fā)射升空,軌道高度520 公里×540 公里、傾角3 度、公轉周期96 分鐘?!盀鹾趑敗痹谒雇呦@镎Z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(wèi)星在軌運行超過兩年時間,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)人類發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)中還包括數(shù)個來自于銀河系之外的X 射線源。

        氣球與氣球火箭探測

        經(jīng)過改進的埃洛比火箭發(fā)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(fā)現(xiàn)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?qū)⒒鸺龓У礁邔哟髿?,再進行點火發(fā)射,這樣可以節(jié)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(wèi)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(fā)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(nèi)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(xù)觀測。HEAO-2 發(fā)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(wèi)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(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介紹。

        小型天文衛(wèi)星3 號

        小型天文衛(wèi)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(wèi)星。1975年5 月7 日,SAS-3 從圣馬可海上平臺發(fā)射升空。SAS-3 正常在軌運行了近4 年時間,發(fā)現(xiàn)了十幾個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(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衛(wèi)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(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;對包括船帆座X-1 在內(nèi)的多顆X 射線脈沖星進行了長期監(jiān)測等。

        1983 年2 月20 日,日本第二顆X 射線衛(wèi)星“天馬號”(右圖)成功發(fā)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(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(xù)觀測。EXOSAT 也是第一批攜帶計算機的衛(wèi)星之一,在其3 年的觀測時間內(nèi)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(fā)現(xiàn)是在X 射線雙星內(nèi)發(fā)現(xiàn)的準周期震蕩現(xiàn)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(nèi)存在超大質(zhì)量黑洞的主要證據(jù)。

        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(lián)與法國、丹麥、保加利亞合作開發(fā)的空間天文臺,于1989 年12 月1 日由質(zhì)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(wèi)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(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)第一個微類星體;發(fā)現(xiàn)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(xù)運行工作主要由法國航天局負責。

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