天文望远镜如何观测X射线

文/小超

提起X射线，相信读者们并不陌生。在医生看病的过程中，如果需要了解患者骨骼的情况，一般首先会让患者去拍一张X光片，利用X射线穿透能力强的特点，获知人体内部的情况。在宇宙中，X射线往往产生于非常剧烈的高能天体物理过程中，可以使天文学家们见识到通过其他频段的信号所无法认知的世界，加深我们对宇宙、星系和恒星物理过程的理解。同时，X射线与可见光因为不同的物理特性，又使得科学家们必须利用特别的观测方式获取天体的X射线信号。

X射线天文学的发源

医院的放射科往往会采取比较严格的辐射防护措施，因为接受剂量超标的X射线辐射，会对人体的健康产生威胁。然而，在地面上生活的我们却不需要为太空中的X射线担心。地球的大气层不但供给了万物赖以生存的氧气，还将宇宙中的X射线阻挡在地面以上。当来自天体的X射线穿过地球大气层时，这种穿透力很强的电磁波会被大气层中的水分子全数吸收。

对于地球上的各种生灵，大气层的这种保护作用当然是一件好事。然而，对于天文学家来说，就失去了在地面上进行X射线天文观测的可能。在可见光波段开展观测的天文学，自伽利略将光学望远镜用于天文观测后就开始蓬勃发展。而X射线天文学的发端，则要等到二次世界大战结束，火箭技术开始走向实用化之后。1949年1月，美国海军实验室在新墨西哥州的白沙试验场发射了一枚Aerobee 150探空火箭，火箭的最大飞行高度刚好越过了稠密大气的顶部，安装于火箭顶部的探测器发现了来自太阳的强烈的X射线。

▲多层镜片嵌套的X射线望远镜

▲大气层对各个波段电磁波吸收情况的示意图，波长较短的X射线会被全部吸收

按照后续研究所获得的结论，当太阳磁场发生重联时，由磁场加速的粒子会以极高的速度轰击太阳表面的物质，产生X射线辐射。太阳只是一颗普通的主序恒星，如果太阳能够释放X射线，天文学家们猜想其他恒星应该也能释放X射线，因而X射线应该是在宇宙中广泛存在的。1962年，又一枚探空火箭的探测结果证实了天文学家们的猜想。一个位于天蝎座方向的X射线源被发现，并被命名为X-1。现在我们已经知道，X-1实际上是双星系统中的一颗中子星。另一颗恒星上的物质在中子星引力的作用下，被输运到中子星附近的过程就会产生X射线。

探空火箭虽然能够飞行到稠密大气之上，但其能够在这个高度飞行的时间较短，很难系统地进行X射线天文学观测。随着航天技术的日趋成熟，科学家们将X射线望远镜安装在卫星上，发射到大气层以上的太空轨道中，从而获得了系统持续的X射线观测数据。

掠入射式X射线望远镜

由于X射线和可见光迥异的物理特性，可见光波段的各种光学器件无法对X射线产生同样的效果，用于将可见光聚焦到一个焦面上的镜片面对X射线就无能为力了。因此，必须针对X射线的特性设计特别的望远镜。

▲X光对人体的透视

▲X射线波段观测到的子弹星系团

任何材料对X射线的折射率都小于1，因此，当X射线从近乎平行于材料表面的方向，小角度掠入射到材料表面时，可以被材料全部反射。利用这种特性，科学家们研发了掠入射式X射线望远镜。这种望远镜的光路一般由一个双曲面和一个抛物面构成，X射线在经过两次全反射后被聚焦。在焦面上，既可以安装CCD等成像原件，用于获得X波段的图像，又可以将X射线引入光谱仪，分拆出不同波长的X射线强度。

掠入射式X射线望远镜原理虽然简单，但是为了获得理想的观测效果，X射线的反射面必须加工得相当平滑。掠入射式X射线望远镜的原理在上世纪50年代就提出了，但在这个苛刻的条件限制下，直到上世纪70年代后，这种望远镜才得到广泛的应用。为了提高有效的X射线入射面积，科学家们会采用“圆环套圆环”的排列方式，让若干个反射面嵌套在一起，构成一个X射线望远镜。

▲测试中的中科院国家天文台龙虾眼X射线望远镜样机

▲中科院国家天文台X射线探针卫星上的龙虾眼望远镜模块布置

根据光的波粒二象性，波长越短的X射线，其单个光子携带的能量越高。早期的掠入射式望远镜只在反射面表面镀膜一层，对能量较高的硬X射线的反射能力有限，只能对于10千电子伏特量级以下的软X射线进行观测。自上世纪90年代开始，人们开始尝试在发射面上镀多层膜，上面的膜层反射能量相对较低的X射线，下面的膜层反射能量相对较高的X射线，从而将这种望远镜能够观察到的X射线光子能量提高到了150千电子伏特。

▲龙虾的眼部结构

▲龙虾眼睛内部的精细结构

此外，对于难以被反射的硬X射线，还有一种观测方法，就是使用准直型非直接成像望远镜。这种望远镜在观测时，通过让不同方向的X射线交替进入装置的方式，来获取某一方向X射线的强度。这种方式需要较为繁杂的后处理过程，才能得到观测图像。

龙虾眼型X射线望远镜

掠入射式X射线望远镜实现了X射线的直接成像观测，但却存在视场太小的局限。当这种望远镜对准某个方向后，只能观察到那个方向的一个小区域中的图像。但对于一些方向的天文学研究，科学家们更希望能够大视场的望远镜出现，能够一次看到相对广阔天空区域中的情况。

为了设计出这样的望远镜，人们从龙虾这种美味的食材上找到了灵感。和人与不少动物只有单一瞳孔不同的是，龙虾的眼镜由大量整齐排列的微型管道构成，管道壁光滑且指向同一球心。每个微型管道中相邻两个面的反射可以使光线落到龙虾眼镜的球形视网膜上。1979年，美国学者提出了利用类似结构的成像装置实现大视场X射线观测的方法。在这种装置中，正交排布的微型管道指向同一个球心，管道壁使用能够反射X射线的光滑内壁构成，通过X射线在管道中的发射将其引导到球形焦面上。

▲龙虾眼望远镜

▲掠入射式X射线望远镜原理

▲X射线（左）和可见光波段（右）观测到的土星

在这种方案中，管道截面的边长仅几十微米，而管道的长度又要达到截面边长的50倍左右，对于材料加工来说是很大的考验。“龙虾眼”望远镜的设计思路是1979年提出的，然而直到近期，美国的Lobster-ISS和中国的爱因斯坦探针计划，才开始将这种思路付诸实践。