发展中的X射线空间望远镜

文/李会超

由于天体发射出的X射线在穿过大气层时大部分会被吸收，因此使用空间望远镜，在大气层以外对天体辐射的X射线进行观测，是X射线天文学的主要观测方式。从20世纪70年代至今，不少X射线空间望远镜被发射升空，为我们揭示了肉眼看不到的宇宙秘密。

天基X射线观测的开始

第一颗进行X射线探测的卫星为美国的Uhuru卫星。这颗卫星于1970年12月12日进入了远地点560公里、近地点520公里的近地轨道，开始了X射线天文学的新纪元。在此之前，人们主要以探空火箭为X射线天文学的探测工具。然而，探空火箭在空中停留的时间短，设备的探测精度也有限。“Uhuru”的探测精度比以往的探测精度高出了10倍，上天一星期所接收到的数据量就超过了以往所有的X射线天文学探测数据。然而，“Uhuru”上并没有成像设备，其携带的计数器只能区分某一方向X射线总体上的强弱。

其后的1978年11月13日，第一个搭载了X射线望远镜的探测器HEAO-II被发射升空。由于1979年是爱因斯坦诞辰100周年，这颗卫星上天后被重新命名为“爱因斯坦X射线望远镜”。由于这颗卫星可以传回图像信号，使得科学家们不但对已知的X射线源进行了更深入的研究，还作出了不少新的发现。例如，天文学家们发现许多活动星系核都是强大的X射线发射体，而星系间大气中的X射线辐射则给出了宇宙中暗物质总量的信息。

▲Uhuru卫星

▲在厂房中的Uhuru卫星

▲爱因斯坦X射线望远镜

▲厂房中的爱因斯坦X射线望远镜

▲对爱因斯坦X射线望远镜进行测试

▲钱德拉X射线望远镜

钱德拉X射线空间望远镜

在Uhurru、爱因斯坦X射线望远镜和后续的X射线天文学卫星相继取得成功后，著名X射线天文学家贾科尼提出了功能更丰富、更强大的X射线空间望远镜方案。之后，这个空间望远镜方案以印度裔美籍著名天文学家钱德拉·塞卡的名字命名，并成为“大型轨道天文台”计划中的一员。在此计划中，伽马、X射线、近紫外及可见光、红外波段的天体辐射信号，分别由“康普顿”、“钱德拉”、“哈勃”和“斯皮策”四台大型空间望远镜负责观测。这四个空间望远镜配合地面的射电天文台，形成了覆盖整个电磁波谱的完整观测能力，前所未有地推进了人类天文学的发展。

▲“钱德拉”拍摄到的星云

“钱德拉”并非由火箭发射升空，而是搭乘哥伦比亚号航天飞机执行的STS-93任务，由航天飞机释放到太空中。“钱德拉”的轨道高度相当高，近地点的距离已经达到约1.4万公里，而远地点的高度更高达13万公里。选择如此高的轨道是为了避开地球磁层内部的辐射带对于X射线天文观测的干扰，从而保证探测器搭载的高分辨率设备能够得到满意观测的结果。

▲航天飞机释放钱德拉X射线望远镜

“钱德拉”搭载了一台掠入射式X射线望远镜，望远镜的角分辨率可达0.5角秒，相比于爱因斯坦X射线望远镜足足提高了1000倍。构成望远镜反射面的，是33纳米厚的铱元素涂层。当望远镜将X射线聚焦后，安装在望远镜后端的四台科学仪器将对X射线进行成像或分析。他们中，“高分辨率相机”只负责得到分辨率较高的图像，而“先进CCD成像光谱仪”则可以同时获取图像信息与光谱信息。此外，还有两台衍射光栅光谱仪，可以对不同能量段的X射线进行比较精细的光谱分析。时至今日，已经超期服役的钱德拉X射线德拉”十分相似。

颇具悲情色彩的日本望远镜

进入新世纪后，日本也开始研发X射线空间望远镜。然而，其任务进行得都不顺利，颇有几分悲情色彩。

2000年，日本的第一颗X射线空间望远镜天文-E出师未捷身先死。发射它的M-V-4运载火箭在起飞42秒后就出现故障，卫星连同火箭残骸一同坠入大海。M-V-4是日本的一种固体运载火箭，主要用来发射质量不大的科学探测卫星。此后的2005年，日本人又制造了一颗设计基本相同的天文-E II卫星，在使用M-V-4火箭发射成功后，将这个X射线空间望远镜重命名为“朱望远镜仍在正常工作。

▲天文-E II卫星

同一时期，欧空局研发了XMM-牛顿X射线空间望远镜，其功能与“钱雀”号。

“朱雀”虽然成功进入了太空，但入轨工作仅19天后就出现了一次较大的事故。在冷却系统频繁出现异常后，冷却系统的液氦管道终于爆炸。对于天文观测来说，相关电子元件必须处于一定的温度环境中，才能正常工作。液氦管道的爆炸让制冷系统无法再有效稳定温度，这个空间望远镜最主要的后端仪器——X射线光谱仪停止工作。不过，依靠剩下的X射线成像光谱仪和硬X射线探测器，“朱雀”还是取得了一定的科学成果。例如，利用“朱雀”的观测数据，天文学家们发现新类型的超新星爆发遗迹。

▲朱雀号望远镜工作示意图

▲瞳X射线空间望远镜

2015年，“朱雀号”因为卫星状态不稳定而终止工作，取代它的是“瞳”号X射线空间望远镜。这个望远镜装备了先进的科学仪器，能够对软X射线和硬X射线同时实现成像观测。然而，当“瞳”进入太空不久后，其姿态控制系统就出现了偏差，卫星的反作用飞轮不停地“校正”实际不存在的卫星姿态扰动，使卫星从稳定工作状态进入了姿态开始失控的旋转状态。当发现姿态的问题后，卫星自动进入了安全模式，开始使用卫星上的喷嘴帮助校正姿态问题。然而，由于一段编写错误的程序，喷嘴校正姿态的方向与正确方向恰好相反，导致卫星越转越快，最终在太空中解体。当卫星与地面刚刚失联时，美国的北美防空司令部就表示卫星已经破碎成了几块残骸，但日本技术人员从一个错误接收到的无线电信号判断，卫星还有抢救一下的可能。然而，在徒劳一段时间后，他们终于接受了“瞳”已经在太空中解体的事实。替换“瞳”的X射线空间望远镜已经开始研制，计划于2020年发射。

▲慧眼硬X射线望远镜

▲慧眼X射线望远镜内部结构图

中国的X射线空间望远镜

2017年6月15日，中国的第一颗X射线空间望远镜“慧眼”成功发射。慧眼卫星的全名是“硬X射线调制望远镜”，可观测1～250千电子伏特能量范围的X射线和200千电子伏特～3兆电子伏特能量范围的伽玛射线，主要用于X射线巡天观测和黑洞、中子星等高能天体的观测。

▲测试“慧眼”

对于硬X射线，“慧眼”通过准直器和相关的后处理过程，实现X射线的观测。准直器只允许与它成特定夹角的X射线穿过。通过调整卫星的姿态，使得准直器扫过天空的不同地区，测量得到不同天区的X射线强度，再利用我国自主研发的后处理方法，即可实现天体的X射线成像。慧眼卫星的视场较大，能够在同一时刻观察到较大面积的一片天空，在进行巡天观测时，只需两天就可以完成银道面的扫描。在最初的设计中，科学家们仅计划对以往较难观测的硬X射线波段展开研究，但随着项目不断深入，科学家们发现只要对卫星的设备稍加改进升级，就能实现对软X射线和伽玛射线的观测，使卫星覆盖的波谱范围大大提升。

目前，中国的另一颗X射线空间望远镜“爱因斯坦探针”正在进行工程研制。这个空间望远镜主要聚焦时域天文学的研究，研究短暂和剧烈的天体爆发现象，例如恒星坍缩、黑洞或中子星之间的并合和伽玛暴等。这些现象发生的时间和位置都很难预测，必须快速而不间断地对整个天空进行“扫描”，才有可能捕捉到他们的踪迹。“爱因斯坦探针”计划采用“龙虾眼”这一新X射线望远镜结构，可以实现对X射线的大视场、高灵敏度观测，满足时域天文学的观测要求，进一步提高中国在高能天体物理领域中的研究水平，也为全世界的天文学家带来新的研究数据。