探测X射线

苏晓

1895年11月，德国物理学家伦琴在进行阴极射线的实验中，发现射线管中发出了某种未知的射线。由于当时对这种射线的本质属性了解甚少，所以他将其称之为X射线。1901年第一届诺贝尔奖颁发，伦琴就因这一发现而获得了这一年的物理学奖，X射线也由此被称为伦琴射线。

伦琴的发现为之后的科学家开辟了一条探测X射线的艰辛之路，也大大开阔了科学家们的视野。不论是空间天文技术还是X射线探测火箭，都为人类的航空事业做出了巨大贡献。

空间天文技术应运而生

在很长一段时期内，人们只能接收天体发出的可见光，这其实是电磁辐射中极其狭窄的范围，属于传统的光学天文学范畴。事实上，许多天体如恒星、星系等在发出可见光的同时还发出射电波、红外线、紫外线、X射线或γ射线等。

按照现代物理学的观点，电磁辐射（包括可见光）既具有波动的性质，也具有粒子的性质，这被称为波粒二象性。电磁辐射中的粒子称为光子，电磁波的能量以光子的能量表示。电磁波的波长越短（频率越高），相应光子的能量越大。X射线的波长从10纳米到0.002纳米，其光子携带着相当大的能量，所以天体发生的高能现象都伴随着X射线（有时还有γ射线）的辐射。

地球表面覆盖着深厚的大气层，大气中的各种粒子对进入大气的电磁波产生吸收或散射等作用，使除可见光、部分无线电波和小部分红外线以外的天体辐射都难以穿透大气到达地面。

为了克服大气对地面观测的限制，空间天文技术应运而生，它的工作原理是应用高空气球、探空火箭和人造卫星等设备运载天文观测仪器到大气层外进行观测。空间天文探测的对象主要是被阻挡在大气层之外的各种电磁波段，即γ射线、X射线、紫外线、红外线以及射电波。

X射线探空火箭的出现

早期对X射线的探测工作集中于对太阳的研究，探测的工具主要是探空火箭。在这方面，美国取得了开创性的成果。

1948年美国海军实验室的科学家将V-2火箭发射至近百千米的高空，首先接收到来自太阳的X射线辐射。1960年，该实验室的布莱克等人利用“空蜂”号火箭，携带一架针孔直径为0.0127厘米的照相机成功拍摄到太阳发出的X射线照片，这是人类获得的第一张X射线照片。

20世纪60年代，高空火箭还有许多新发现。1962年6月，美国麻省理工学院以里卡尔多·贾科尼为首的科研组发射了一枚火箭，用以探测太阳辐射产生的荧光X射线辐射。6月28日，他们第一次成功地探测到太阳系之外的一个X射线源，它发射的X射线亮度比可见光亮度约大1000倍。该源被命名为天蝎座X-1，这是人类探测到的第一个太阳系外的X射线源。

此前人们一直有一种观念，认为太阳系之外的X射线源无法被探测到，这个发现彻底破除了这种错误认识。从此，贾科尼等人开创了太阳系外X射线天文学的发展阶段，堪称X射线天文学发展史上的第一个里程碑。

X射线探测卫星升空

高空火箭的留空时间非常短暂，为了克服这一缺陷，从60年代起，已经开始使用卫星来探测天体的X射线辐射了。

1970年，美国发射了一颗专门用于X射线探测的“乌呼鲁”（Uhuru，斯瓦希里语“自由”的意思）号卫星。由于发射地点在非洲的肯尼亚，而发射日期12月12日正巧是肯尼亚的独立纪念日，当日该国人民为庆祝独立高呼“乌呼鲁”，所以以此来命名卫星。该卫星上携带的两个探测器分别能达到0.5度和1度的定位精度，可以探测波长0.06纳米至0.57纳米的X射线辐射。

1974年，由贾科尼领队的小组发表了利用“乌呼鲁”卫星对银河系内X射线源的巡天结果，得到了银河系X射线源的分布图。结果表明，绝大多数的银河系X射线源都位于银道面附近，它们也表现出向银心聚集的倾向。“乌呼鲁”卫星在首次完成的巡天观测中发现了339个X射线源，为天文学家展示了许多发射X射线辐射的不同类型的天体。“乌呼鲁”卫星的发射被认为是X射线天文学发展的第二个里程碑。

继“乌呼鲁”之后，西欧、日本和前苏联共发射了20多颗X射线天文卫星。1972年8月，美国的“轨道天文台”3号（OAO-3）发射升空，后来为纪念哥白尼诞生500周年，被命名为“哥白尼”卫星。它携有一架口径81厘米的反射望远镜，另外还携有3架小型X射线探测器。

1974年8月荷兰发射的“荷兰天文卫星”1号、1974年10月英国发射的“羚羊”5号、1975年5月美国和意大利联合发射的“小型天文卫星”3号、1977年8月美国发射的“高能天文台”1号（HEAO-1）等都对天体X射线辐射的探测做出了重要贡献，相继发现了一批暂现X射线源和X射线暴源，使得至70年代末已发现的X射线源总数达到了1500多个。

1978年11月，美国又发射了HEAO-2卫星。它率先使用了掠射成像技术，携带了第一架X射线望远镜，其口径为0.58米，从而产生了第一张由卫星拍摄的X射线图像。

“高能天文台-2”卫星的发现空前丰富，主要有：记录到银河系内各种正常恒星发出的X射线；发现绝大多数类星体都是X射线源；发现发射X射线的球状星团；发现一个温度高达30万开的X射线气环等等。

与以往的X射线天文卫星能探测到的最暗的X射线源相比，“高能天文台-2”能发现暗1000倍的X射线源。它的定位精度达到1角分，分辨角达到2角秒，可与地面上的光学望远镜相匹配。“高能天文台-2”于1980年4月停止工作。