X射線在天體物理學中有什麼用？

王春燕、陳崗、王福合/文

原標題《X射線在天體物理學的應用》

天體物理學是天文學與物理學的交叉學科，是20世紀自然科學發展的一個極其重要的分支。

現代天體物理學的重要探測手段之一是藉助射電技術設備接收並研究宇宙天體的輻射。這些輻射按波長可分為若干波段，如無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線和γ 射線等。按觀測的電磁波段可分為光學天文學、射電天文學和空間天文學等。

傳統的觀測是在地面上利用天文儀器進行的，但是由於射線在穿過大氣層時被吸收，所以藉助各種飛行器，在高層大氣或大氣外層空間區域進行探測。從20 世紀下半葉以來，觀測的範圍在不斷擴大，從可見光擴展到整個電磁波段，空間天文學就此誕生。

目前，天文探測器可分為γ 射線探測器、X射線探測器、紫外探測器和近紅外探測器等。中國將於2016 年年底發射硬X 射線調製望遠鏡（HXMT）（小編註：HXMT將於2017年發射），其任務是定位探測中子星和黑洞等輻射X 射線的高能天體以及其輻射X 射線的高能物理過程，這將是中國天文衛星的零突破。在HXMT發射之際，本文將介紹早期的X射線探測，整理列舉已發射的X射線探測器，最後給出X射線探測的意義。

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早期X射線探測

宇宙中天體無時無刻不在輻射X射線，天體中的X射線是從上百萬度甚至上千萬度（絕對溫度）的熾熱等離子體以熱形式發射出來，或是通過涉及高能電子的相對論性過程以非熱形式發射出來。因此，X射線天文學的觀測對象是從高溫天體恆星（包括恆星發生的高能物理現象：超新星爆炸，中子星和黑洞吸積物質過程）到宇宙學距離的類星體等。

最初的X射線探測來源於美國海軍研究實驗室，1929年，美國海軍研究實驗室提出在高海拔地區探測紫外線和X 射線的建議。1948年，在新墨西哥州的白沙導彈試驗場發射火箭，首次探測到太陽輻射的X射線，發現太陽是一個很強的X 射線源。這些X射線來自太陽黑子和太陽的日冕，這些地區的溫度可達數百萬度。如果在太陽系之外，這樣的輻射就很難被探測到了。此後美國海軍研究實驗室多次對恆星探測，尋找太空中的X 射線源，但均未成功。

在美國海軍研究實驗室探測太陽以外的X射線源之後，人們開始懷疑是否存在太陽系之外的X射線源。20世紀60年代，宇宙輻射X射線探測有了新進展。當時，義大利美籍的天體物理學家賈科尼(R. Giacconi)（見圖1）和美國天體物理學家羅西(B.Rossi)（見圖2）認為，天體可能存在X 射線源。隨後二人一起設計出新型的X 射線望遠鏡，望遠鏡利用錐形的曲面鏡來收集輻射。為此，賈科尼又成立了一個火箭試驗組，以證明月亮反射的太陽輻射中存在X射線。但是，當火箭在高空飛行了十千米之後，他們雖未探測到從月亮反射的太陽X 射線，卻檢測到來自其他地方很強的X 射線，從火箭沿環形的飛行軌跡可以了解到，在整個太空中瀰漫著X射線背景輻射。

圖1 賈科尼（Riccardo Giacconi，1931-）

圖2 羅西（Bruno Rossi，1905-1993）

這個意外的發現促進了X 射線天文學的產生與發展，使人們進一步利用標準的光學方法識別和確定X射線源。他們確定了首次發現的X 射線源是一顆遠至天蠍座中的紫外恆星，名之為天蠍X-1（其中X 即X射線，1 是排序的數字）。不久又發現了別的X 射線源，比較重要的有天鵝X-1、X-2 和X-3 等。這些新發現的X 射線源大都是雙星，而且往往是一顆恆星環繞著另一顆密度很大的恆星——中子星（甚至可以是黑洞）。外圍恆星的氣體流向密度大的恆星，並且在強大的引力場作用下被加速到極高的速度。這些氣體原子彼此碰撞，並且在中子星的表面磁場作用下而減速，釋放出強大的X 射線。這一發現讓賈科尼獲得了2002年的諾貝爾物理學獎，也開創了宇宙X 射線天文學。

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已發射成功的X 射線天文衛星

X 射線天文學的誕生大大促進了空間天文學的發展，但這些最初的研究很困難，因為火箭的探測時間太短。火箭技術的進步得以開發出地球大氣以外的研究領域，即使用衛星進行宇宙探測。

最先發射用以探測宇宙X射線的衛星是美國宇航局一系列小型天文衛星的第一顆——「 烏呼魯」（UHURU，斯瓦希里語為「 自由」 的意思）。這顆X射線探測衛星於肯亞的基地發射，於1970年12月12日進入離地面最高點為560 千米，近地點為520 千米的軌道，軌道傾角3 度，每96 分鐘巡天一次，因發射當天正值肯亞獨立7 周年紀念日而取名「烏呼魯」。藉助「烏呼魯」，科技工作者探測到包括X射線雙星、星系團、超新星遺迹等339 個X 射線源，並探測到了緻密X 射線雙星和星系團內瀰漫的X 射線輻射，以及黑洞候選體天鵝座X-1。在「 烏呼魯」 之後，一些國家便投入大量資金以改進X 射線探測裝置，發射X射線天文衛星。

「 烏呼魯」 的探測精度高於火箭的探測精度，甚至高出十倍。「 烏呼魯」 被發射出一個星期之後所接收到的數據量高於以前所有探測數據之和。

賈科尼還研製出精度更高的X 射線探測器名為HEAO—II，1978 年11 月13 號發射，在發射成功後，為了紀念愛因斯坦誕辰100 周年而更名為「 愛因斯坦X射線望遠鏡」。它是第一台聚焦X 射線望遠鏡，以往的X 射線衛星帶回來的都是一些數字數據，而「 愛因斯坦天文台」 裝載了用於探測X 射線的第一台成像裝置，它的靈敏度和解析度極高。HEAO—II 的發射目標是尋找新的X 射線源以及定位和跟蹤研究已知的X 射線源（如天鵝X-1），在發射後不久就帶回來了很多重要的新發現，如許多活動星系（包括類星體）都是強大的X射線發射體，星系團包括大量的高溫（數千萬絕對溫度）等離子體等，由於技術水平大為提高，還記錄到比天蠍X-1 的X 射線輻射強度低百萬倍的信號。「 愛因斯坦X 射線望遠鏡」 的新發現使科學工作者對X 射線雙星得到更為詳細的研究，其中有一些天體被作為黑洞的候選者。科學工作者還對超新星的遺迹進行分析，特別是星系團中各星系間大氣的X 射線輻射幫助科學工作者發現，在宇宙中存在暗物質並確定宇宙中所含暗物質總量。

愛因斯坦X 射線望遠鏡

1976 年，賈科尼還研發出更加先進的X 射線探測器，而且體積龐大，並於1999 年7 月23 日升空。這台探測器原名為「 高級X 射線天體物理設備（AXAF）」（見圖4），在發射前一年，為紀念著名的物理學家錢德拉塞卡(S. Chandrasekhav)（見圖5）而更名為「 錢德拉」（Chandra）。

圖4 錢德拉

圖5 錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995）

錢德拉塞卡是印度裔美籍天體物理學家，在1983 年因白矮星的研究而獲得諾貝爾物理學獎，該發現中包含了著名的錢德拉塞卡極限。AXAF 的探測任務是「 觀測宇宙中溫度高達數百萬度區域而運動速度幾乎接近光速的天體的高能活動，從太陽系內的彗星到遙遠的類星體都是它的觀測範圍」。

比起光學望遠鏡（如哈勃望遠鏡），「 錢德拉」 的成像性能和光譜分析性能在當時都是最優質的，而且它可以進行定點跟蹤觀測，發回來的圖像有許多新發現，如物質的組成、星系爆炸的原因等，這些都大大促進了宇宙的構造與演化研究。所帶回來的首批照片中，就有一張非常清晰的超新星遺迹仙后座A 的圖像，讓天文學家們首次可以看到超新星遺迹中心的脈衝星，解決了人們對於超新星爆發後的許多問題。

賈科尼的研發工作大大提高了觀測的水平，他們的研究工作使當今的宇宙觀也發生了很大的變化。在20 世紀中葉，宇宙穩恆的觀點佔據著主流的地位，恆星和星系處於平衡之中，而宇宙的演化是緩慢的。今天的觀測表明，從X 射線天文學發展看，宇宙中有大量的能量被釋放出來，許多星體比地球小得多，但質量卻大得驚人，也就是說，這些小天體的密度大得驚人。而對這些天體及其演化過程的研究，大都得益於X 射線天文學的研究。

到目前為止，世界上已發射成功了許多X 射線天文衛星，我們將搜集的已發射成功的X 射線天文衛星列於表1 中。

20 世紀70 年代，美國發射了八顆X 射線探測器，其中包括兩顆里程碑式的天文台，即「 烏呼魯」 和「 愛因斯坦天文台」；英國也成功發射了三顆X 射線天文衛星；到了70 年代末，日本也成功發射了第一顆X射線天文衛星「 天鵝」 號。

20 世紀80 年代，一些國家的科學經費大幅下降，導致80 年代只發射了三顆X 射線衛星。在70 年代佔主導地位的美國卻一顆都沒有發射，其原因是因為美國的經費主要用於大天文台的計劃，如探測可見光的哈勃空間望遠鏡、探測γ 射線的康普頓γ 射線天文台、探測X 射線的錢拉德X 射線天文台以及探測紅外光譜的斯皮策空間望遠鏡，而這些天文台都是在90 年代之後推出的。英國雖然在佔主要地位的歐洲空間局（簡稱歐空局—ESA）於1983 年5 月26 日發射了EXOSAT，但是它單獨發射X 射線衛星卻也結束於Ariel-6。剩下兩顆是由日本發射的，分別是1983 年2月20 日發射的天馬（Tenma）和1987 年2 月5 日發射的銀河（Ginga）。雖然80 年代發射的X射線衛星少，但卻有很大的進步，其探測活動大大推動了X 射線天文學時域分析和光譜分析的研究，推進了X 射線天文學的進步。

圖6 倫琴X 射線天文衛星

倫琴X 射線天文衛星（ROSAT）是一個改進版的HEAO 一II，攜帶著由德國研製的比HEAO—II 的X射線成像望遠鏡還要大的X射線成像望遠鏡（XRT），三個聚焦設備中有兩個德國研製的位置靈敏的正比計數器（PSPC）和美國研製的高解析度成像（HRT）設備，此外還有英國研製的紫外望遠鏡（由美國宇航局於1990 年6 月1 日發射）。ROSAT 的探測任務是全天掃面式探測和對選定的X 射線源定位探測，選定的目標由三個國家商議決定。最後對選定的目標源進行定位探測，不僅發現了賈科尼一直尋找月球反射的X射線，而且還發現了溫度極低的彗星也輻射X 射線；還發現，超新星遺迹和星系團的詳細形態，探測到更暗的中子星以及中子星Geminga 的脈衝周期等。

進入21 世紀，日本成為X 射線衛星發射的主力，先與美國聯合研製的「 朱雀」（Astro-E2）於2005 年7 月10 日發射。2016 年2 月12 日又發射了第六顆X射線衛星ASTRO-H（見圖7）。ASTRO-H 由日本和美國多家機構聯合開發的，裝配有利用尖端科技開發的兩種X 射線望遠鏡和四種接收X 射線的檢測儀器，所裝載的軟X 射線譜儀能夠分辨出以萬計的X 射線「 顏色」，同時也能拍攝出高清圖片，能夠大大增進對X 射線天體的了解。該衛星發回的數據有利於認識宇宙的演化過程如研究巨大黑洞如何成長，驗證極限狀態如在超高密度和超高強磁場下的物理現象。但遺憾的是，該衛星與地面失去聯繫，雖然日本一直沒有放棄與衛星恢復通信的嘗試，但未能成功，此後只能轉向事故原因調查的工作。

圖7 ASTRO-H

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X 射線探測的意義

從已往的X 射線天文衛星和發回來的數據看，X射線天文學已逐漸走向揭秘高溫高能天體以及發生一些高溫高能的物理現象，新興的X 射線天文學逐漸走向了成熟。

在20 世紀60 年代空間望遠鏡即天文衛星的發展，將天文學從射電天文學進入到空間天文學。今天，天文學已經進入空間天文學的多波段天文學時代，X 射線天文學又是全波段天文學的重要組成部分，因此對天體輻射的X 射線探測具有重要的意義。

X 射線天文學的核心問題是引發源的X 射線輻射的物理過程，科技工作者研究這些物理過程，以揭秘恆星的演化和宇宙的起源問題。因此當前X 射線天文學的觀測包括新X 射線源的探測，確定源位置，觀測源的大小和結構，探測離散源和瀰漫性背景輻射，研究X射線源變化。通過探測天體中高溫高能的恆星以及恆星演化的終極產物白矮星、中子星和黑洞等，再對這些源進行定位研究，如探測緻密星的高溫高密強磁場等極端的物理過程等，通過這些研究進一步揭秘恆星的演化和宇宙的起源等問題。

最後，中國科學院高能物理研究所研製的新的X 射線天文衛星即將發射，作者預祝髮射成功，並圓滿地完成科學探測的工作，藉此推動中國科技事業的發展。

來源：《現代物理知識》2016, 28(6): 60-64.