天文望遠鏡如何觀測X射線

文/小超

提起X射線，相信讀者們并不陌生。在醫生看病的過程中，如果需要了解患者骨骼的情況，一般首先會讓患者去拍一張X光片，利用X射線穿透能力強的特點，獲知人體內部的情況。在宇宙中，X射線往往產生于非常劇烈的高能天體物理過程中，可以使天文學家們見識到通過其他頻段的信號所無法認知的世界，加深我們對宇宙、星系和恒星物理過程的理解。同時，X射線與可見光因為不同的物理特性，又使得科學家們必須利用特別的觀測方式獲取天體的X射線信號。

X射線天文學的發源

醫院的放射科往往會采取比較嚴格的輻射防護措施，因為接受劑量超標的X射線輻射，會對人體的健康產生威脅。然而，在地面上生活的我們卻不需要為太空中的X射線擔心。地球的大氣層不但供給了萬物賴以生存的氧氣，還將宇宙中的X射線阻擋在地面以上。當來自天體的X射線穿過地球大氣層時，這種穿透力很強的電磁波會被大氣層中的水分子全數吸收。

對于地球上的各種生靈，大氣層的這種保護作用當然是一件好事。然而，對于天文學家來說，就失去了在地面上進行X射線天文觀測的可能。在可見光波段開展觀測的天文學，自伽利略將光學望遠鏡用于天文觀測后就開始蓬勃發展。而X射線天文學的發端，則要等到二次世界大戰結束，火箭技術開始走向實用化之后。1949年1月，美國海軍實驗室在新墨西哥州的白沙試驗場發射了一枚Aerobee 150探空火箭，火箭的最大飛行高度剛好越過了稠密大氣的頂部，安裝于火箭頂部的探測器發現了來自太陽的強烈的X射線。

▲多層鏡片嵌套的X射線望遠鏡

▲大氣層對各個波段電磁波吸收情況的示意圖，波長較短的X射線會被全部吸收

按照后續研究所獲得的結論，當太陽磁場發生重聯時，由磁場加速的粒子會以極高的速度轟擊太陽表面的物質，產生X射線輻射。太陽只是一顆普通的主序恒星，如果太陽能夠釋放X射線，天文學家們猜想其他恒星應該也能釋放X射線，因而X射線應該是在宇宙中廣泛存在的。1962年，又一枚探空火箭的探測結果證實了天文學家們的猜想。一個位于天蝎座方向的X射線源被發現，并被命名為X-1。現在我們已經知道，X-1實際上是雙星系統中的一顆中子星。另一顆恒星上的物質在中子星引力的作用下，被輸運到中子星附近的過程就會產生X射線。

探空火箭雖然能夠飛行到稠密大氣之上，但其能夠在這個高度飛行的時間較短，很難系統地進行X射線天文學觀測。隨著航天技術的日趨成熟，科學家們將X射線望遠鏡安裝在衛星上，發射到大氣層以上的太空軌道中，從而獲得了系統持續的X射線觀測數據。

掠入射式X射線望遠鏡

由于X射線和可見光迥異的物理特性，可見光波段的各種光學器件無法對X射線產生同樣的效果，用于將可見光聚焦到一個焦面上的鏡片面對X射線就無能為力了。因此，必須針對X射線的特性設計特別的望遠鏡。

▲X光對人體的透視

▲X射線波段觀測到的子彈星系團

任何材料對X射線的折射率都小于1，因此，當X射線從近乎平行于材料表面的方向，小角度掠入射到材料表面時，可以被材料全部反射。利用這種特性，科學家們研發了掠入射式X射線望遠鏡。這種望遠鏡的光路一般由一個雙曲面和一個拋物面構成，X射線在經過兩次全反射后被聚焦。在焦面上，既可以安裝CCD等成像原件，用于獲得X波段的圖像，又可以將X射線引入光譜儀，分拆出不同波長的X射線強度。

掠入射式X射線望遠鏡原理雖然簡單，但是為了獲得理想的觀測效果，X射線的反射面必須加工得相當平滑。掠入射式X射線望遠鏡的原理在上世紀50年代就提出了，但在這個苛刻的條件限制下，直到上世紀70年代后，這種望遠鏡才得到廣泛的應用。為了提高有效的X射線入射面積，科學家們會采用“圓環套圓環”的排列方式，讓若干個反射面嵌套在一起，構成一個X射線望遠鏡。

▲測試中的中科院國家天文臺龍蝦眼X射線望遠鏡樣機

▲中科院國家天文臺X射線探針衛星上的龍蝦眼望遠鏡模塊布置

根據光的波粒二象性，波長越短的X射線，其單個光子攜帶的能量越高。早期的掠入射式望遠鏡只在反射面表面鍍膜一層，對能量較高的硬X射線的反射能力有限，只能對于10千電子伏特量級以下的軟X射線進行觀測。自上世紀90年代開始，人們開始嘗試在發射面上鍍多層膜，上面的膜層反射能量相對較低的X射線，下面的膜層反射能量相對較高的X射線，從而將這種望遠鏡能夠觀察到的X射線光子能量提高到了150千電子伏特。

▲龍蝦的眼部結構

▲龍蝦眼睛內部的精細結構

此外，對于難以被反射的硬X射線，還有一種觀測方法，就是使用準直型非直接成像望遠鏡。這種望遠鏡在觀測時，通過讓不同方向的X射線交替進入裝置的方式，來獲取某一方向X射線的強度。這種方式需要較為繁雜的后處理過程，才能得到觀測圖像。

龍蝦眼型X射線望遠鏡

掠入射式X射線望遠鏡實現了X射線的直接成像觀測，但卻存在視場太小的局限。當這種望遠鏡對準某個方向后，只能觀察到那個方向的一個小區域中的圖像。但對于一些方向的天文學研究，科學家們更希望能夠大視場的望遠鏡出現，能夠一次看到相對廣闊天空區域中的情況。

為了設計出這樣的望遠鏡，人們從龍蝦這種美味的食材上找到了靈感。和人與不少動物只有單一瞳孔不同的是，龍蝦的眼鏡由大量整齊排列的微型管道構成，管道壁光滑且指向同一球心。每個微型管道中相鄰兩個面的反射可以使光線落到龍蝦眼鏡的球形視網膜上。1979年，美國學者提出了利用類似結構的成像裝置實現大視場X射線觀測的方法。在這種裝置中，正交排布的微型管道指向同一個球心，管道壁使用能夠反射X射線的光滑內壁構成，通過X射線在管道中的發射將其引導到球形焦面上。

▲龍蝦眼望遠鏡

▲掠入射式X射線望遠鏡原理

▲X射線（左）和可見光波段（右）觀測到的土星

在這種方案中，管道截面的邊長僅幾十微米，而管道的長度又要達到截面邊長的50倍左右，對于材料加工來說是很大的考驗。“龍蝦眼”望遠鏡的設計思路是1979年提出的，然而直到近期，美國的Lobster-ISS和中國的愛因斯坦探針計劃，才開始將這種思路付諸實踐。