文 / 葉楠

X射線空間望遠(yuǎn)鏡（下）

倫琴X射線天文臺

1990年6月1日，以發(fā)現(xiàn)X射線的德國物理學(xué)家威廉·倫琴命名的倫琴X射線天文臺（ROSAT）（下左圖）在卡納維拉爾角發(fā)射升空，這是一顆由德國領(lǐng)導(dǎo)、英國與美國合作的X射線天文衛(wèi)星項(xiàng)目。ROSAT攜帶的設(shè)備可提供高分辨率、低噪音的軟X射線成像觀測，除了X射線波段，它還可以在極紫外波段進(jìn)行工作。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命18個(gè)月，實(shí)際運(yùn)行超過8年時(shí)間。任務(wù)最終公布的X射線巡天星表超過15萬個(gè)目標(biāo)天體，極紫外巡天星表包括479個(gè)目標(biāo)天體，還發(fā)現(xiàn)了10萬個(gè)偶遇X射線源、彗星發(fā)出的X射線，觀測到舒梅克-列維9號彗星與木星相撞產(chǎn)生的X射線等。下右圖是ROSAT拍攝的位于北銀極附近的后發(fā)座星系團(tuán)，距離我們約3.26億光年，星系團(tuán)核心具有更強(qiáng)的X射線輻射。

飛鳥號

“飛鳥號”是繼“天鵝號”“天馬號”后日本第三顆成功發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星，于1993年2月20日從日本鹿兒島航天中心發(fā)射升空，進(jìn)入500～600公里高的近地軌道。“飛鳥號”是第一個(gè)集高質(zhì)量成像能力、寬頻段、高光譜分辨率及大面積有效視場于一身的天文衛(wèi)星，也是首次將CCD用于X射線天文學(xué)觀測?！帮w鳥號”的主要科學(xué)目標(biāo)是等離子體的X射線光譜，尤其是對發(fā)射線和吸收線邊緣離散特征的分析?；谄鋬?yōu)秀的性能，“飛鳥號”得到了第一個(gè)寬頻段高分辨率類星體光譜，并對構(gòu)成宇宙X射線背景的部分輻射源進(jìn)行了證認(rèn)。2000年7月，“飛鳥號”的姿態(tài)在一次地磁風(fēng)暴中失去控制，并于第二年再入大氣層。它一共進(jìn)行了3000多次觀測，其數(shù)據(jù)被引用發(fā)表的論文數(shù)量超過1000篇。

羅西X射線時(shí)變探測器

羅西X射線時(shí)變探測器（RXTE）以對粒子物理學(xué)及宇宙線研究做出杰出貢獻(xiàn)的意大利實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布魯諾·羅西的名字命名，其主要科學(xué)目標(biāo)是對宇宙X射線源做時(shí)域觀測，觀察其X射線輻射隨時(shí)間變化的關(guān)系。RXTE發(fā)射于1995年12月30日，一直運(yùn)行至2012年1月3日，并于2018年4月再入大氣層。16年間獲得的數(shù)據(jù)被近2000篇論文引用，其中比較重要的發(fā)現(xiàn)包括：驗(yàn)證廣義相對論預(yù)測的坐標(biāo)系拖曳效應(yīng)；定位M82 X-1黑洞并推算已知最小黑洞的大小；證明銀河系背景X射線輻射來自于尚未發(fā)現(xiàn)的白矮星和其他恒星的日冕。

貝波X射線天文衛(wèi)星

以意大利物理學(xué)家朱塞佩·貝波·奧基亞利尼的名字命名的貝波X射線天文衛(wèi)星（貝波SAX）是一顆意大利與荷蘭合作的X射線衛(wèi)星，于1996年4月30日發(fā)射，軌道高度接近600公里、傾角3度、周期96.4分鐘。它是第一個(gè)能夠在能量范圍0.1～200keV范圍內(nèi)，同一時(shí)間進(jìn)行多波段觀測的X射線衛(wèi)星，同時(shí)還具有良好的時(shí)間分辨率和空間分辨率。它還可以在2～30keV范圍內(nèi)以5角分的分辨率進(jìn)行巡天觀測，探測暫現(xiàn)X射線源現(xiàn)象?！柏惒⊿AX”于2003年4月29日完成使命墜入太平洋，它最具突破性的工作是探測并定位伽馬射線暴。

錢德拉X射線天文臺

錢德拉X射線天文臺（下左圖）與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、康普頓伽馬射線天文臺、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡同屬于美國大型軌道天文臺計(jì)劃，并稱為有史以來最偉大的四臺空間望遠(yuǎn)鏡，它的名字來自于1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美籍印度裔天體物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡?！板X德拉”于1999年7月23日由哥倫比亞號航天飛機(jī)送入太空，運(yùn)行在遠(yuǎn)地點(diǎn)133000公里、近地點(diǎn)16000公里、傾角76.7度、周期63.5小時(shí)的橢圓形軌道，它最初的預(yù)期壽命為5年，之后幾經(jīng)延長，至今依舊能夠健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

20年間，“錢德拉”圍繞地球轉(zhuǎn)了2700多圈、飛行了240億公里，其科學(xué)成果不勝枚舉，包括在星暴星系M82中發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量黑洞的證據(jù)。下右圖是“錢德拉”于2015年拍攝的圓規(guī)座X-1，是迄今為止觀測到的最大最亮的X射線環(huán)，天文學(xué)家認(rèn)為這是2013年底圓規(guī)座X-1發(fā)生X射線暴經(jīng)過塵埃云的反射產(chǎn)生的光環(huán)。

XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡

在“錢德拉”升空后不到半年，歐空局的XMM-牛頓望遠(yuǎn)鏡（左圖）于1999年12月10日搭乘阿里安-5火箭進(jìn)入太空。升空前，它的名字是多鏡面X射線空間望遠(yuǎn)鏡，XMM是X射線多鏡面的意思。在它升空三個(gè)月以后，將牛頓的名字加入進(jìn)來。歐空局前科學(xué)主任邦納對此的解釋是“XMM-牛頓”是一項(xiàng)光譜學(xué)任務(wù)，它的一個(gè)重要目標(biāo)之一就是定位大量的黑洞候選體，而牛頓發(fā)明了光譜學(xué)，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律?！癤MM-牛頓”軌道的近地點(diǎn)約為7400公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)113800公里、傾角38.9度、周期48小時(shí)。作為“錢德拉”在太空中的同伴，“XMM-牛頓”也經(jīng)過數(shù)次任務(wù)延期，時(shí)至今日已正常運(yùn)行超過20年。

同樣20年的時(shí)間，“XMM-牛頓”也取得了不遜于“錢德拉”的觀測成果。截止2018年，引用“XMM-牛頓”數(shù)據(jù)的論文數(shù)量超過5000篇。2XMM J083026+524133是2008年發(fā)現(xiàn)的當(dāng)時(shí)質(zhì)量最大的星系團(tuán)，相當(dāng)于銀河系質(zhì)量的1000倍，距離我們約77億光年，被稱為怪獸星系團(tuán)。右上圖是“XMM-牛頓”拍攝其X波段成像，在這個(gè)距離上的大質(zhì)量星系團(tuán)是十分罕見的，這一發(fā)現(xiàn)對暗能量的存在提供了支持。

右下圖是“錢德拉”與“XMM-牛頓”合作發(fā)現(xiàn)的一個(gè)距離地球60億光年的超大質(zhì)量黑洞自旋的證據(jù)。這是宇宙中一個(gè)非常巧合的排列，利用中心巨大橢圓星系造成的引力透鏡現(xiàn)象我們看到了它背后的黑洞由于快速自轉(zhuǎn)，其周圍氣體產(chǎn)生的極其明亮的類星體現(xiàn)象。

高能暫現(xiàn)源探測器2號

高能暫現(xiàn)源探測器2號（HETE-2）（左圖）也被稱為探索者79號，是美國聯(lián)合日本、法國共同開發(fā)的一顆多波段觀測衛(wèi)星。在此之前，HETE-1于1996年11月4日發(fā)射入軌后，由于釋放載荷的爆炸螺栓失效導(dǎo)致任務(wù)失敗。HETE-2發(fā)射于2000年10月9日，軌道高度約550公里、傾角2度、周期95.7分鐘，它攜帶有紫外、X射線及伽馬射線監(jiān)測儀器，主要使命是定位伽馬射線暴，觀測精度可以達(dá)到10角秒。整個(gè)任務(wù)期間HETE-2公布了80多次伽馬射線暴預(yù)警。2005年7月9日，HETE-2發(fā)現(xiàn)了一次伽馬射線暴GRB 050709，在0.5秒時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，天文學(xué)家認(rèn)為GRB 050709可能是由兩顆中子星，或其中有一個(gè)是黑洞，在相互碰撞并合情況下產(chǎn)生的，右圖為藝術(shù)家對此次事件的渲染圖。

朱雀號與瞳號

進(jìn)入21世紀(jì)后，日本也發(fā)射了多顆X射線探測衛(wèi)星，但是其過程卻頗為曲折。2000年，ASTRO-E發(fā)射失敗，它的替代品“朱雀號”（下左圖）發(fā)射于2005年7月10日，是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)與美國宇航局聯(lián)合開發(fā)的用于探測高能X射線源的衛(wèi)星。但入軌僅幾周后，由于冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致所有液氦全部流失，致使X射線光譜儀不得不關(guān)閉。幸運(yùn)的是，X射線成像光譜儀和硬X射線探測器沒有受到影響，一直穩(wěn)定運(yùn)行至2015年。

2016年2月17日，接替“朱雀號”的硬X射線衛(wèi)星“瞳號”（下右圖）發(fā)射升空，但僅僅一個(gè)多月后，3月26日美國聯(lián)合太空行動(dòng)中心發(fā)現(xiàn)該衛(wèi)星分裂成5塊，其軌道也突然改變。最終結(jié)論是因?yàn)樽藨B(tài)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致衛(wèi)星失控，在高速自旋過程中部分元件斷裂，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)不得不放棄“瞳號”。

核分光望遠(yuǎn)鏡陣

核分光望遠(yuǎn)鏡陣（NuSTAR）（下左圖）是美國小型探測衛(wèi)星計(jì)劃的第11項(xiàng)任務(wù)，采用可伸縮桅桿式設(shè)計(jì)，于2012年6月13日發(fā)射，軌道高度約600公里、傾角6度、周期96.8分鐘。主要科學(xué)目標(biāo)是對超大質(zhì)量黑洞和活動(dòng)星系中高能粒子加速過程以及超新星過程中的元素合成問題進(jìn)行研究。迄今為止，NuSTAR已經(jīng)運(yùn)行了8年時(shí)間。下右圖是NuSTAR首次用高能X射線觀測銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片，圖中白色亮點(diǎn)為距離黑洞最近且溫度最高的物質(zhì)，粉紅色是被加熱的氣體。

慧眼號

“慧眼號”的全稱為硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，是中國研制的第一顆X射線天文衛(wèi)星。它于2017年6月15日從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙火箭發(fā)射至預(yù)定軌道，發(fā)射質(zhì)量2800千克，軌道高度約550公里、傾角43度、周期95.5分鐘?！盎垩厶枴惫矓y帶有3個(gè)科學(xué)載荷，可探測的能量范圍為1～250keV，主要目標(biāo)是對黑洞、中子星、活動(dòng)星系核及其他X射線和伽馬射線輻射進(jìn)行探測。