圖解空間望遠鏡發展史

文 / 葉楠

X射線空間望遠鏡（下）

倫琴X射線天文臺

1990年6月1日，以發現X射線的德國物理學家威廉·倫琴命名的倫琴X射線天文臺（ROSAT）（下左圖）在卡納維拉爾角發射升空，這是一顆由德國領導、英國與美國合作的X射線天文衛星項目。ROSAT攜帶的設備可提供高分辨率、低噪音的軟X射線成像觀測，除了X射線波段，它還可以在極紫外波段進行工作。衛星設計壽命18個月，實際運行超過8年時間。任務最終公布的X射線巡天星表超過15萬個目標天體，極紫外巡天星表包括479個目標天體，還發現了10萬個偶遇X射線源、彗星發出的X射線，觀測到舒梅克-列維9號彗星與木星相撞產生的X射線等。下右圖是ROSAT拍攝的位于北銀極附近的后發座星系團，距離我們約3.26億光年，星系團核心具有更強的X射線輻射。

飛鳥號

“飛鳥號”是繼“天鵝號”“天馬號”后日本第三顆成功發射的X射線天文衛星，于1993年2月20日從日本鹿兒島航天中心發射升空，進入500～600公里高的近地軌道。“飛鳥號”是第一個集高質量成像能力、寬頻段、高光譜分辨率及大面積有效視場于一身的天文衛星，也是首次將CCD用于X射線天文學觀測。“飛鳥號”的主要科學目標是等離子體的X射線光譜，尤其是對發射線和吸收線邊緣離散特征的分析。基于其優秀的性能，“飛鳥號”得到了第一個寬頻段高分辨率類星體光譜，并對構成宇宙X射線背景的部分輻射源進行了證認。2000年7月，“飛鳥號”的姿態在一次地磁風暴中失去控制，并于第二年再入大氣層。它一共進行了3000多次觀測，其數據被引用發表的論文數量超過1000篇。

羅西X射線時變探測器

羅西X射線時變探測器（RXTE）以對粒子物理學及宇宙線研究做出杰出貢獻的意大利實驗物理學家布魯諾·羅西的名字命名，其主要科學目標是對宇宙X射線源做時域觀測，觀察其X射線輻射隨時間變化的關系。RXTE發射于1995年12月30日，一直運行至2012年1月3日，并于2018年4月再入大氣層。16年間獲得的數據被近2000篇論文引用，其中比較重要的發現包括：驗證廣義相對論預測的坐標系拖曳效應；定位M82 X-1黑洞并推算已知最小黑洞的大小；證明銀河系背景X射線輻射來自于尚未發現的白矮星和其他恒星的日冕。

貝波X射線天文衛星

以意大利物理學家朱塞佩·貝波·奧基亞利尼的名字命名的貝波X射線天文衛星（貝波SAX）是一顆意大利與荷蘭合作的X射線衛星，于1996年4月30日發射，軌道高度接近600公里、傾角3度、周期96.4分鐘。它是第一個能夠在能量范圍0.1～200keV范圍內，同一時間進行多波段觀測的X射線衛星，同時還具有良好的時間分辨率和空間分辨率。它還可以在2～30keV范圍內以5角分的分辨率進行巡天觀測，探測暫現X射線源現象。“貝波SAX”于2003年4月29日完成使命墜入太平洋，它最具突破性的工作是探測并定位伽馬射線暴。

錢德拉X射線天文臺

錢德拉X射線天文臺（下左圖）與哈勃空間望遠鏡、康普頓伽馬射線天文臺、斯皮策空間望遠鏡同屬于美國大型軌道天文臺計劃，并稱為有史以來最偉大的四臺空間望遠鏡，它的名字來自于1983年諾貝爾物理學獎獲得者、美籍印度裔天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡。“錢德拉”于1999年7月23日由哥倫比亞號航天飛機送入太空，運行在遠地點133000公里、近地點16000公里、傾角76.7度、周期63.5小時的橢圓形軌道，它最初的預期壽命為5年，之后幾經延長，至今依舊能夠健康運轉。

20年間，“錢德拉”圍繞地球轉了2700多圈、飛行了240億公里，其科學成果不勝枚舉，包括在星暴星系M82中發現了中等質量黑洞的證據。下右圖是“錢德拉”于2015年拍攝的圓規座X-1，是迄今為止觀測到的最大最亮的X射線環，天文學家認為這是2013年底圓規座X-1發生X射線暴經過塵埃云的反射產生的光環。

XMM-牛頓望遠鏡

在“錢德拉”升空后不到半年，歐空局的XMM-牛頓望遠鏡（左圖）于1999年12月10日搭乘阿里安-5火箭進入太空。升空前，它的名字是多鏡面X射線空間望遠鏡，XMM是X射線多鏡面的意思。在它升空三個月以后，將牛頓的名字加入進來。歐空局前科學主任邦納對此的解釋是“XMM-牛頓”是一項光譜學任務，它的一個重要目標之一就是定位大量的黑洞候選體，而牛頓發明了光譜學，發現了萬有引力定律。“XMM-牛頓”軌道的近地點約為7400公里、遠地點113800公里、傾角38.9度、周期48小時。作為“錢德拉”在太空中的同伴，“XMM-牛頓”也經過數次任務延期，時至今日已正常運行超過20年。

同樣20年的時間，“XMM-牛頓”也取得了不遜于“錢德拉”的觀測成果。截止2018年，引用“XMM-牛頓”數據的論文數量超過5000篇。2XMM J083026+524133是2008年發現的當時質量最大的星系團，相當于銀河系質量的1000倍，距離我們約77億光年，被稱為怪獸星系團。右上圖是“XMM-牛頓”拍攝其X波段成像，在這個距離上的大質量星系團是十分罕見的，這一發現對暗能量的存在提供了支持。

右下圖是“錢德拉”與“XMM-牛頓”合作發現的一個距離地球60億光年的超大質量黑洞自旋的證據。這是宇宙中一個非常巧合的排列，利用中心巨大橢圓星系造成的引力透鏡現象我們看到了它背后的黑洞由于快速自轉，其周圍氣體產生的極其明亮的類星體現象。

高能暫現源探測器2號

高能暫現源探測器2號（HETE-2）（左圖）也被稱為探索者79號，是美國聯合日本、法國共同開發的一顆多波段觀測衛星。在此之前，HETE-1于1996年11月4日發射入軌后，由于釋放載荷的爆炸螺栓失效導致任務失敗。HETE-2發射于2000年10月9日，軌道高度約550公里、傾角2度、周期95.7分鐘，它攜帶有紫外、X射線及伽馬射線監測儀器，主要使命是定位伽馬射線暴，觀測精度可以達到10角秒。整個任務期間HETE-2公布了80多次伽馬射線暴預警。2005年7月9日，HETE-2發現了一次伽馬射線暴GRB 050709，在0.5秒時間內釋放出巨大的能量，天文學家認為GRB 050709可能是由兩顆中子星，或其中有一個是黑洞，在相互碰撞并合情況下產生的，右圖為藝術家對此次事件的渲染圖。

朱雀號與瞳號

進入21世紀后，日本也發射了多顆X射線探測衛星，但是其過程卻頗為曲折。2000年，ASTRO-E發射失敗，它的替代品“朱雀號”（下左圖）發射于2005年7月10日，是日本宇宙航空研究開發機構與美國宇航局聯合開發的用于探測高能X射線源的衛星。但入軌僅幾周后，由于冷卻系統故障導致所有液氦全部流失，致使X射線光譜儀不得不關閉。幸運的是，X射線成像光譜儀和硬X射線探測器沒有受到影響，一直穩定運行至2015年。

2016年2月17日，接替“朱雀號”的硬X射線衛星“瞳號”（下右圖）發射升空，但僅僅一個多月后，3月26日美國聯合太空行動中心發現該衛星分裂成5塊，其軌道也突然改變。最終結論是因為姿態控制系統故障導致衛星失控，在高速自旋過程中部分元件斷裂，日本宇宙航空研究開發機構不得不放棄“瞳號”。

核分光望遠鏡陣

核分光望遠鏡陣（NuSTAR）（下左圖）是美國小型探測衛星計劃的第11項任務，采用可伸縮桅桿式設計，于2012年6月13日發射，軌道高度約600公里、傾角6度、周期96.8分鐘。主要科學目標是對超大質量黑洞和活動星系中高能粒子加速過程以及超新星過程中的元素合成問題進行研究。迄今為止，NuSTAR已經運行了8年時間。下右圖是NuSTAR首次用高能X射線觀測銀河系中心超大質量黑洞的照片，圖中白色亮點為距離黑洞最近且溫度最高的物質，粉紅色是被加熱的氣體。

慧眼號

“慧眼號”的全稱為硬X射線調制望遠鏡，是中國研制的第一顆X射線天文衛星。它于2017年6月15日從酒泉衛星發射中心由長征四號乙火箭發射至預定軌道，發射質量2800千克，軌道高度約550公里、傾角43度、周期95.5分鐘。“慧眼號”共攜帶有3個科學載荷，可探測的能量范圍為1～250keV，主要目標是對黑洞、中子星、活動星系核及其他X射線和伽馬射線輻射進行探測。