太空巡警：X射線天文衛星

文 綠 茵

太空巡警：X射線天文衛星

文 綠 茵

天文衛星也叫空間望遠鏡，它通過探測各種天體發出的不同波譜、不同強度的電磁波了解宇宙，改變了以往坐地觀天的傳統，擺脫了大氣層對天文觀測的影響，相當于把天文觀測臺搬進太空。更重要的是，天文衛星能在全頻段范圍內對宇宙空間進行詳細觀測，對人類認識宇宙有革命性的推動。

近年來，各國X射線空間望遠鏡開始陸續升空，大大開拓了天文學家的視野，增加了他們了解宇宙中一些神秘天體的可能性。

美國發射的“核區分光望遠鏡陣列”高能天文衛星

各有所長

宇宙中的天體每時每刻都在發射電磁波，由于各種天體的性質和特點不同，因此所發出的電磁波也不同。目前天文衛星大多是按照所觀測天體的電磁波譜來分類，分為紅外天文衛星、紫外天文衛星、X射線天文衛星和?射線天文衛星等。這些天文衛星各有所長，但誰也不能“一統天上”，這是因為僅靠某一顆天文衛星很難對宇宙進行全頻段觀測。

一般來說，天體溫度越高，發出的電磁波波長越短。在電磁波譜中，?射線的波長最短，X射線次之，接下來依次是紫外線、可見光、紅外線和射電波。人類可以利用這一特性，通過觀測天體發出的電磁波分析它們的類型和特征。

近年來，X射線天文衛星成果頗多，也越來越受天文學家們的青睞。這種衛星又被稱為空間高能天文衛星或空間高能望遠鏡，因為它們主要用于觀測宇宙中的高溫天體和宇宙中發生的高能物理過程——宇宙中很多極端天體的物理過程都會產生強烈的X射線高溫氣體，比如白矮星、中子星和黑洞吸收物質的過程。

由于宇宙中許多天體都發射X射線，因此探測宇宙中的X射線對探索宇宙奧秘具有重要意義。又由于X射線極易被介質吸收，介質對X射線的折射率非常低，所以在地面進行高能X射線的收集和聚焦非常困難。即使在太空觀測X射線，望遠鏡的設計也要非常講究，不能選用普通的折射系統，而要讓射線以掠射方式射入鏡面才行。

硬X射線調制望遠鏡

我國研制的首顆天文衛星——“硬X射線調制望遠鏡”將于2015年正式升空。它是一顆工作于硬X射線能區(1～250千電子伏特)的空間高能天文衛星，用于完成深度巡天，可發現大量巨型黑洞、大批硬X射線天體和一系列天體高能輻射新現象，并繪出高精度的硬X射線天圖。

該衛星具有比歐洲“國際?射線天體物理實驗臺”、美國“雨燕”更強大的成像能力和獨一無二的定向觀測能力，能以最高靈敏度和分辨率發現大批被塵埃遮擋的超大質量黑洞和其他未知類型高能天體，從而對宇宙硬X射線背景的性質做深入研究。

我國“硬X射線調制望遠鏡”在軌運行示意圖

“硬X射線調制望遠鏡”攜帶的低能(1～15千電子伏特)、中能(5～30千電子伏特)和高能(20～250千電子伏特)三個望遠鏡，都是準直型探測器，直接調節掃描數據可以實現高分辨和高靈敏度成像以及對彌散源的成像；而大面積準直探測器又能獲得特定天體目標的高統計和高信噪比數據，使“硬X射線調制望遠鏡”既能實現大天區成像，又能通過寬波段時變和能譜觀測研究天體高能過程。

各國競相研制

由于X射線空間望遠鏡不斷產生重大天文發現，引發了一些國家爭相研制空間高能天文望遠鏡的浪潮，僅今年就將增加3個。

計劃今年發射的俄羅斯“光譜-X-?”衛星，主要用于探測上千個星系團和星系群中的熱星系際介質以及星系團之間的纖維狀熱氣體，從而研究宇宙的結構演化。

印度的“天文衛星”也擬于今年入軌。它是印度首顆天文衛星，主要用于監測宇宙天體源的輻射強度變化，對X射線雙星、活動星系核、超新星遺跡和恒星冕進行光譜觀測和監視可能出現的瞬變源等。

2013年，日本也將發射“天文-H”高能天文衛星，預計該衛星將在空間高能天文領域獲得大批重要的發現，促進對宇宙的極端物理現象，尤其是強引力場和強磁場中的物理過程的理解。

將于2021年發射的美國“國際X射線天文臺”衛星

2021年，由美、歐、日聯合研制的“國際X射線天文臺”將入軌，用于捕獲宇宙邊緣處黑洞發出的信號，并研究它們和宇宙原初星系的關系以及演化過程，了解宇宙的起源和組成。該衛星裝有口徑約3米、焦距12米的光學系統和6個焦平面探測器系統，具有前所未有的綜合科學能力，其有效面積和能量分辨率將遠遠超越以前所有的空間高能天文衛星。

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已發射的X射線空間望遠鏡

1999年7月23日，美國“錢德拉”X射線空間望遠鏡升空。其主鏡為4臺套筒式掠射望遠鏡。該衛星在0.1～10千電子伏特之間有較高的靈敏度，因此能研究極弱的X射線源。

1999年12月10日發射的歐洲“牛頓”X射線多鏡面衛星主要用于研究1～120納米的電磁波譜區域，覆蓋了0.1～12千電子伏特的能量范圍，能收集到宇宙中30000顆星星的X射線光譜。

2005年7月10日，日本發射了“天體-E2”X射線天文觀測衛星。該衛星覆蓋的能量范圍是0.4～700千電子伏特，可與美國的“錢德拉”和歐洲的“牛頓”共同觀測一個天體，利用各自的特長收集資料。

2012年6月13日入軌的美國“核區分光望遠鏡陣列”衛星，可觀測來自天體的5～80千電子伏特之間的高能X射線，尤其是核光譜。其主要科學目標是深度探索質量超過太陽10億倍的黑洞以及了解重元素如何在超新星中形成等。