美国“钱德拉X射线天文台”浅析

吴耀军 帅平 （钱学森空间技术实验室）

为了对宇宙天体进行全波段、全方位观测，以全面了解宇宙、星系乃至太阳系的形成与演化，美国提出了大天文台计划。“钱德拉X射线天文台”（CXO，简称“钱德拉”）作为大天文台计划的一部分，主要用于观测宇宙高能区域辐射的X射线，从而捕捉超新星爆发的遗迹，发现未知天体，并了解宇宙的结构和演变。

1 美国大天文台计划

1979年，美国国家科学研究委员会发布《80年代美国空间天文学和天体物理学发展战略》，首次提出了大天文台的概念。美国大天文台计划是利用4个覆盖整个电磁波谱不同波长范围（γ射线、X射线、可见光和红外）的空间科学观测平台进行天文观测，而且通过合理安排观测任务可以在同一时期对同一个天体目标进行不同光谱段的观测，实现对目标天体全光谱段成像，全面获得目标天体的辐射光谱信息，从而了解宇宙的广袤无垠和绚丽多姿。

大天文台计划的4台空间望远镜分别以哈勃、康普顿、钱德拉和斯皮策四位美国科学家的名字命名，分别为“哈勃空间望远镜”（H ST，简称“哈勃”）、“康普顿γ射线天文台”（CGRO，简称“康普顿”）、“钱德拉”和“斯皮策空间望远镜”（SST，简称“斯皮策”）。

1）“哈勃”是大天文台计划的第1颗卫星，于1990年发射，主要在可见光、紫外线、近红外线波段对天体进行观测，搭载的科学设备包括广域和行星照相机、戈达德高解析摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪，主要科学研究内容为宇宙年龄、恒星形成、恒星死亡、黑洞和宇宙学。

2）“康普顿”是大天文台计划的第2颗卫星，于1991年发射，主要用于观测天体的γ射线辐射，搭载的科学设备包括爆发和瞬变源试验设备、定向闪烁光谱仪、康普顿成像望远镜和高能伽玛射线望远镜。该卫星在两次巡天过程中对蟹状星云、天鹅座X-1、天鹅座X-3、银河系中心和超新星1987A等进行了观测，主要的科学观测成果包括：1991年观测了太阳的耀斑爆发；1991年发现了第4颗伽玛射线脉冲星PSR1706－44；探测到了天鹅座X-3辐射的1012eV高能辐射和超新星1987A辐射的1015eV高能辐射；记录了约2500个γ射线暴。

各天文台观测能谱范围

3）“钱德拉”是大天文台计划的第3颗卫星，于1999年发射，主要用于观测天体的X射线辐射，搭载的科学设备包括高新CCD成像光谱仪、高分辨率照相机、高能透射光栅和低能透射光栅，主要的科学观测成果包括：在星系M82中发现了中等质量黑洞的证据、发现了伽玛射线暴GRB 991216中的X射线发射、观测到了银河系中心超大质量黑洞天蝎座A的X射线辐射以及物质从原恒星盘落入恒星时发出的X射线等。

4）“斯皮策”是大天文台计划的最后一颗卫星，于2003年发射，主要在中远红外线波段对天体进行观测，搭载的科学设备包括红外阵列相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计，主要科学目标为寻找太阳系之外的行星、探索行星是怎样形成的、研究陌生的河外星系、观测遥远星系及揭示早期宇宙图景。

2 “钱德拉”结构

作为美国大天文台计划的第3颗卫星，“钱德拉”是迄今为止人类建造的最为先进、最为复杂的X射线观测卫星，被誉为“X射线领域内的哈勃”。

“钱德拉”总长13.8m，是利用航天飞机搭载所发射的最大卫星。该卫星有两副太阳电池翼，展开时的跨度为19.5m，功率在2000W左右，每副太阳电池翼包括3块电池板。

四大天文望远镜相关参数

“钱德拉”结构图

卫星最前端是遮阳板，在卫星入轨前遮阳板处于关闭状态以避免空间辐射的影响，卫星入轨观测时遮阳板打开，可以遮挡一定角度范围以内的太阳照射。遮阳板后面是高分辨率镜头组件（HRMA），用于将入射的X射线会聚到焦平面上的探测设备。镜头周围有4个推力器、1个方位相机和2副低增益天线，其中推力器用于将卫星送入最终轨道位置，并调整卫星姿态；方位相机结合地球敏感器、太阳敏感器和陀螺仪等用来精确测定卫星的指向方位；低增益天线负责地面测控站的遥控指令上传和卫星遥测参数以及科学观测数据的下传。

聚焦镜头之后是低能透射光栅（LETG）和高能透射光栅（H ETG），用于将不同能量的X射线衍射到不同的方向以进行光谱分析。透射光栅之后是高分辨率相机（HRC）和高新CCD成像光谱仪（ACIS），它们位于高分辨率镜头组件的焦平面上，是X射线成像和光谱分析设备。卫星最末端是综合科学设备平台（ISIM），用于承载高分辨率相机和高新CCD成像光谱仪；同时这个设备平台内的机械装置可以将高分辨率相机和高新CCD成像光谱仪移入或移出焦平面，以配合镜头交替使用不同类型的探测器来开展不同的科学观测；综合科学设备平台还负责科学观测设备与卫星数管分系统的通信及热控。

3 “钱德拉”配置的科学仪器设备

高分辨率镜头组件

高分辨率镜头组件由4层嵌套的掠入射抛物面镜和双曲面镜组成，焦距为10m，角分辨率为0.5″，用于将入射的X射线聚焦。端面直径分别为1.23m、0.99m、0.87m和0.65m，各镜面长度为0.84m。镜面材料为肖特微晶玻璃，抛光清洁后，在其表面镀制高反射率的金属铱，以实现对X射线的反射。由于镜面的研磨、抛光和清洁工艺都实现了历史性的突破，“钱德拉”上的高分辨率镜头组件成为有史以来表面最光滑、最干净的光学镜头，其表面粗糙度达到原子尺度量级。同时，镜头的安装精度也达到了空前的高度：光学系统两端的距离是2.7m，其安装误差小于1.3µm。

由于X射线光子比可见光能量高，它会像子弹穿过墙壁一样穿透可见光光学镜头，而当X射线以很小的角度掠入射到镜面时，X射线将会被镜面反射。利用嵌套抛物面镜和双曲面镜组成Wolter-I型掠入射望远镜系统，可以实现X射线的聚焦，其中嵌套的各抛物面镜和双曲面镜同轴且焦点重合。

高分辨率镜头组件最后的地面标定和检测在马歇尔空间飞行中心（MSFC）的X射线标校设施（XRCF）上进行。该标校设施具有世界上最长的真空束线通道，长达518m，能提供最好的测试环境。测试时，高分辨率镜头组件距离X射线源524.7m，不同能量的X射线以不同的角度入射到镜头表面，测试其在不同条件下的有效面积和成像质量。所有的地面测试于1997年完成，结果表明，其X射线望远镜比以往发射的X射线望远镜灵敏度高出25倍以上。

透射光栅

“钱德拉”上高分辨率光谱分析是由2台透射光栅实现的，分别为高能透射光栅和低能透射光栅，低能透射光栅观测能段为0.09～3keV，谱分辨率为40～2000；高能透射光栅观测能段为0.4～10keV，谱分辨率为60～1000，2台透射光栅都能够与高新CCD成像光谱仪或高分辨率相机联合工作。

2台透射光栅共置于一个回转机构上，因此在同一时刻两者之中最多只有一个位于高分辨率镜头组件光学系统的光路中。入射X射线由高分辨率镜头组件聚焦后，通过透射光栅时，不同能量的X射线将会被衍射到不同的位置，高分辨率镜头组件焦平面上的设备高分辨率照相机或高新CCD成像光谱仪可根据衍射X射线的位置来精确确定其能量，因此透射光栅结合高分辨率照相机或高新CCD成像光谱仪可以组成光栅摄谱仪。在“钱德拉”上，光栅摄谱仪的能量分辨率高达0.1%，可用于区分X射线分立谱线以实现精细能谱分析。光栅摄谱仪主要可用于目标天体温度、电离和化学组成的探测。

低能透射光栅

2台透射光栅均由数百片小块金光栅组成。低能透射光栅的每块光栅由等间隔分布的细长金条组成，排列周期为1µm。组成低能透射光栅的小块光栅镶嵌在一个环形结构上，与高分辨率镜头组件配合使用。高能透射光栅细长金条的排列周期比低能透射光栅更小，其中高能光栅的排列周期为0.2µm，而中能光栅的排列周期为0.4µm。为了区分高能透射光栅的高能光栅和中能光栅，它们安装的朝向角度有细微的差异，因此入射X射线在焦平面上的衍射图案呈现为“X”形状。高能透射光栅细长金条的尺寸比可见光波长小，因此需要特殊的制造技术来完成生产加工；由于细长金条对X射线是部分透明的，使透射光栅具有较高的衍射效率，有利于提高光栅摄谱仪的光谱分辨率。

X射线探测器

“钱德拉”上的X射线探测器包括高分辨率相机和高新CCD成像光谱仪，它们位于高分辨率镜头组件的焦平面上，主要用于入射X射线的成像以及光谱分析，可测量得到入射X射线光子的数量、位置、能量以及到达时间。

高分辨率相机

高分辨率相机核心部件是2台微通道板探测器（MCP)，观测能段为0.1～10k eV，时间分辨率达到0.016s。每台微通道板探测器包括6900万个长度1.2mm、直径10µm的微孔通道。在X射线辐射到微孔通道内壁的特殊涂层材料上时，会击发出二次电子；二次电子在高压电场的作用下加速通过微孔通道，不断撞击通道内壁，并击发出更多的电子，在到达微孔通道末端时，形成约3×107个电子组成的电子云，从而实现电子倍增。在通道板探测器下方，为十字交叉的金属丝阵，用于探测输出的电子信号，可以高精度确定X射线的入射位置，从而使得天文学家能够绘制宇宙X射线源的精细图谱。由于高分辨率照相机的空间分辨率高，能对超新星爆发产生的热物质遗迹和遥远星系及星系群成像，以及暗天体识别。

高能透射光栅

高分辨率相机包括2台相机，分别为高分辨率相机-I和高分辨率相机-S，其中前者主要用于X射线成像，探测区为方形；后者位于前者下方，用于X射线光谱分析，探测区为长条形。高分辨率相机-I拥有卫星上最大的视场角，为30′×30′，可用于高分辨率宽视场成像，但其能量分辨率较差。高分辨率相机-S可以配合低能透射光栅使用，作为低能透射光栅衍射X射线的高分辨率光谱分析设备，视场角为3.4′×99′。同时，高分辨率相机-S还可工作在快速计时模式下，时间分辨率可达到16µs，视场角为6′×30′。

高新CCD成像光谱仪

高新CCD成像光谱仪由10个CCD组成，观测能段为0.2～10k eV，可用于X射线成像，以及入射X射线光子能量、位置和到达时间的测量。由于不同化学元素产生的X射线能量不同，因此高新CCD成像光谱仪可以基于其能量分辨特性只利用目标天体中单一化学成分产生的X射线进行成像，从而可以比较不同化学成分产生的不同能量X射线的成像图谱，得到目标天体的化学元素分布。高新CCD成像光谱仪主要用于研究星系际空间X射线源的温度变化，以及超新星爆发尘埃云化学组分的变化。

根据不同应用目的，高新CCD成像光谱仪分为高新CCD成像光谱仪-I和高新CCD成像光谱仪-S，其中前者（包括I0～I3）主要用于X射线成像，其探测区为方形；后者（包括S0～S5）则用于X射线光谱分析，其探测区为长条形。利用高新CCD成像光谱仪成像时，为获得最大的视场角，可以使用I0～I3及S2～S3这6个CCD，得到总的视场角为16.9′×25.2′。

高新CCD成像光谱仪所包含的10个CCD相机分辨率均为1024×1024像素，因此可使用其中的任何一个用于高分辨率成像，由于S3是背照射CCD且位置居中，一般选用S3作为高分辨率成像的CCD相机，此时视场角为8.3′×8.3′。S3还可以工作在快速计时模式下，只是该模式是以损失CCD其中一维的信息来获得快读出时间，时间分辨率可达2.85ms。利用S0～S5这6台CCD相机，结合高能透射光栅，可组成光栅摄谱仪实现高分辨率光谱分析，其视场角为8.3′×50.6′，在1.2～31Å的波长范围内，对应的能量分辨率为0.012～0.023Å。

4 结束语

“钱德拉”是迄今为止人类建造的最先进、最复杂、最精密的X射线观测卫星，能实现对宇宙高能天体所辐射X射线的数目、能量、位置和到达时间的精确测量，其能量分辨率最高可达2.5%，角分辨率最高可达0.5″，时间分辨率最高可达16µs。

X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航的可行途径，是国际航天前沿技术研究的热点。X射线脉冲星导航是以脉冲星辐射X射线光子的能量、方位角和脉冲到达时间为基本观测量。由于X射线脉冲星探测过程与“钱德拉”类似，因此通过分析研究“钱德拉”的整体结构、高分辨率镜头组件、透射光栅和X射线探测器等技术特征和性能指标，为开展X射线脉冲星导航空间飞行试验系统设计提供技术参考，以加速推进X射线脉冲星导航系统研究与工程试验。