從一枚婚戒與一枚導彈說起：小火箭簡述人類用X射線看宇宙的歷史

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共6870字，65圖。預計閱讀時間：45分鐘。

以X射線觀察宇宙，人類發現宇宙不再像肉眼所見的那樣祥和與寂靜。黑洞的巨大引力撕碎了臨近的恆星，在那驚天動地的過程中，恆星與黑洞爆發了響徹霄漢的嘶吼，穿越數億光年的距離來到地球附近。

不過這個過程非肉眼凡胎可見，目前只能以X射線的形式被相應的探測器感知到。否則就只好藉助藝術家豐富的想像力了。

而星系的碰撞與交融、超新星的爆炸與中子星的誕生，這些宇宙中蕩氣迴腸、波瀾壯闊的場景，都仰賴X射線天文望遠鏡來觀測。

小火箭在本文，從一枚婚戒與一枚V-2導彈說起，簡述人類用X射線了解宇宙的歷史。

婚戒

X射線的發現本身就具有重大的科學意義。小火箭在這裡要強調的是：世界上第一個諾貝爾物理學獎就是頒給了X射線的發現者倫琴博士。

1895年11月8日，倫琴博士在進行陰極射線實驗時，偶然發現了在塗有氰亞鉑酸鋇的屏上發出了微光。此時已經是德國維爾茨堡大學的校長的他經過審慎研究，得出了這是一種尚未被世人所知的新的射線。

當周圍的人都建議倫琴博士用倫琴來命名這種射線時，他堅決推辭，並把該射線取名為X，這就是X射線這個名字的來源。威廉·倫琴，這位紡織商人的兒子，這位小時候因為淘氣地畫老師的漫畫家而遭到開除的學生，這位治學嚴謹的博士，這位淡泊名利的校長，把X射線的知識帶給了人類。

有關X射線成像的最有名的片子，莫過於倫琴博士的媳婦兒的婚戒照片了。

1895年12月22日，快要過聖誕節了。這時，已經是深夜了，50歲的倫琴博士晚上只吃了少許麵包就又鑽回實驗室做研究。氣呼呼的貝魯塔（倫琴博士的媳婦兒）抱著一堆食物趕到實驗室來督促丈夫吃晚飯。

倫琴博士的眼睛閃閃發亮，開心地像個孩子：「親愛的，我發現了一種神奇的射線，可以穿透2米的空氣，甚至能穿透你拿的那本厚書！」

然後，貝魯塔將信將疑地將自己的左手放在感光屏幕前面，拍下了這樣在人類技術史上有著舉足輕重地位的照片。照片中的無名指上的那個大陰影就是倫琴博士給她的婚戒。這是人類獲得的第一張X射線成像照片。

這是1896年1月23日，也就是那張具有劃時代意義的X照片拍攝後1個月，倫琴博士領著媳婦兒來到實驗室補拍了一張更加清晰的貝魯塔的左手X照片。

長期以來，人類用X射線的穿透性來進行醫學成像診斷，進行工業製成品的探傷以及進行晶體結構的研究。後來又發展出了X射線攝影藝術這樣一個領域。

導彈

而1948年的一次導彈試驗，徹底打破了X射線的應用局限，開始開創一個嶄新的學科：X射線天文學。

美國新墨西哥州的一枚V-2導彈。美國雖然沒有運回太多工廠設備，但是他們帶回了大量V-2導彈的關鍵零件。更重要的是，100多名跟V-2導彈有關的工程師包括馮·布勞恩本人都在美國。

戰後不到一年，美國就利用帶來的零部件和資料圖紙，在德國工程師的協助下，成功裝配了80枚V-2導彈。

這些導彈被用於各種各樣的用途，為導彈彈道學、導彈制導原理甚至軌道動力學和載人航天等學科領域做出了重要貢獻。

上圖為用V-2導彈攜帶的照相機拍攝的人類工程技術史上第一張從太空拍攝的地球的照片。（小火箭堅持加上人類這個定語，因為在公元1947和1948年之前，或許外星人早就拍過地球的照片了。）

1948年8月，美國海軍實驗室的工程師們把一枚V-2彈道導彈運到了位於新墨西哥州的白沙導彈靶場（有關該靶場的故事，小火箭會在後續文章中詳細介紹）。

這枚V-2彈道導彈並不是用來做軍事試驗的，而是一次為了科學的探索和嘗試。該導彈安裝了傳說中的蓋革計數器。（我們能夠在有關核爆炸、太空探索等內容的電影中看工程師拿著的那種可以吱吱叫的探測輻射的儀器。蓋革計數器最初是在1908年由德國物理學家漢斯·蓋革和著名的英國物理學家盧瑟福在α粒子散射實驗中，為了探測α粒子而設計的。後來在1928年，蓋革又和他的學生米勒對其進行了改進。）

公元1948年8月5日12點07分，這枚V-2導彈發射了。

這枚帶著蓋革計數器的V-2導彈發射順利，成功突破了卡門線，彈道最高點達到了167公里。她帶回來的探測結果更是讓人振奮：蓋革計數器瞄準了太陽，而計數器探測到了X射線並忠實地做了記錄。這是人類首次進行以X射線為測量手段的天文觀測，證明了太陽是一個X射線輻射源。

人類知道了用X射線來觀測太空是能夠得到結果的，從此一發不可收拾，以X射線為觀測手段的天文觀測新學科就此啟航。

這是一枚1951年1月18日發射到外太空然後墜入美國新墨西哥州白沙導彈靶場的科學研究用V-2彈道導彈。

太陽

文藝青年眼中的落日景象

疊加了X射線天文圖像的工程技術人員眼中的太陽的樣子。

太陽是人類首個用X射線天文學的手段觀測的恆星（沒辦法，太陽是離地球最近的恆星嘛）。

義大利人

1962年6月18日，美籍義大利裔天文學家裡卡爾多·賈科尼等人發射了一枚Aerobee探空火箭。彈道最高點預計為150公里。

這枚火箭上面有三個蓋革計數器，利用X射線穿透的窗口厚度不同，可以記錄下光子的能量，同時利用火箭自身的旋轉確定X射線源的方向。原本，賈科尼想著是用這枚火箭觀測月亮的X射線輻射。

畢竟，太陽已經被一群美國本土科學家用V-2導彈觀測過了。想要再拿個第一，給義大利人贏得榮譽的話，觀測月球是最方便的途徑了。

結果，這枚探空火箭打歪了，沒能讓探測器瞄準月球。心灰意冷的賈科尼看到歪歪的彈道數據，不得不接受了這命運的戲弄。

但是，他還是按科學的方法認認真真地處理了這枚火箭探測到的數據。這一看可不得了！火箭沒瞄準月球不假，但是卻對月球角距離25°遠的地方盯了足足有6分鐘的時間。而儀器對數據忠實地記錄，反應了一個事實：這個位置恰好有一個非常強大的X射線輻射源！

打歪的這枚火箭讓賈科尼發現了人類所知的，除太陽之外的第一個強X射線輻射源。從後來的跟進研究，科學家們在很長一段時間內認為這些X射線輻射源是從銀河系中心發出的！

不過，再後來，還是認定這個輻射源位於天蠍座，因此該輻射源得名天蠍座X-1。

賈科尼這個義大利小子，用一枚打歪了的探空火箭早在1962年就發現了迄今為止依然是人類發現的宇宙中最強烈的X輻射源！

這是一顆質量大約是1.4個太陽的中子星在吸收他的一顆伴星的過程中釋放出來的。按輻射強度來算，天蠍座X-1的能量是太陽總輻射量的6萬多倍！

這榮譽比觀測月球的X輻射要給力多了。因為他偶然而又極為重要的發現，義大利人賈科尼獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

這是上世紀70年代初的賈科尼。他手裡拿著的，是他主導研發的人類第一顆X射線天文望遠鏡衛星烏呼魯號。

烏呼魯

人類的第一顆X射線太空望遠鏡是1970年12月12日，NASA在肯亞附近用身材修長的偵察兵B運載火箭發射的烏呼魯衛星。

該衛星原名「探險者42號」，又名「小型天文衛星1號」（SAS-1），因發射當天正值肯亞獨立7周年紀念日而得名Uhuru（茲瓦西里語意為「自由」）。

在肯亞附近發射的？嗯，是的。確切地來說是在肯亞領海上的由義大利工程師建設的發射平台上發的。（衛星是美籍義大利工程師賈科尼主導研發的，發射場也就選在了義大利人的這個海上平台。這真是科學研究領域的得道與升天的故事呀！）

小火箭風格：該發射平台的具體坐標為：

南緯2° 56′ 18″ S；東經 40° 12′ 45″ E

哈！居然比法國的庫魯航天發射中心更加靠近赤道！（庫魯發射中心的緯度為北緯5° 14′ 14″ N）。

哈！是不是覺得烏呼魯這個名字有點兒耳熟？

沒錯！企業號星間NCC-1701和NCC-1701A的總通訊官妮歐塔·烏呼拉的姓氏，同樣源自地球上的茲瓦西里語的「自由」這個詞。

烏呼魯衛星的運行軌道為近地點520公里，遠地點560公里，軌道傾角3°，周期96分鐘。衛星上安裝了兩個相互反向的X射線正比計數器，能段範圍為2-20keV，每個探測器接收面積為840平方厘米，用機械準直的方法分別構成0.5°×0.5°、5°×5°的視場，利用衛星周期為10分鐘的自轉對天空進行掃描。

烏呼魯，這顆人類發射到太空的首個X射線天文觀測設備，表現相當不凡！

她一個人，噢，是一顆星就確定了339個X射線源，包括X射線雙星、超新星遺迹、星系團、塞弗特星系等等，還有人類發現的第一個黑洞候選天體：天鵝座X-1。它還發現了星系團的彌散X射線輻射源。

烏呼魯衛星於1973年3月停止工作。這顆衛星取得了極大的成功，被認為是X射線天文學發展史上的一座里程碑。

愛因斯坦

賈科尼繼續主導著X射線天文學的工作。在他的倡議下，人類第一顆可以較為清晰地成像的X射線天文望遠鏡「愛因斯坦」號誕生了。

這顆衛星原名HEAO 2，也就是高能天文台2號的意思。但是，因為該衛星發射的時候，是1978年11月13日，距離愛因斯坦誕生100周年的日子比較近了，乾脆就臨時更名為「愛因斯坦」號。

（小火箭要多說一句：上圖其實是合成的照片）

這是核爆炸和愛因斯坦騎自行車的原照片。小火箭在此特意說明。

截止到1981年4月停止工作前，愛因斯坦衛星取得了豐富的成果，包括：首次獲得了超新星遺迹的激波圖像、星系團中高溫氣體的圖像，精確測量了包括X射線雙星、星系和類星體在內超過7000個X射線源的位置，發現當時幾乎所有已知的類星體都是X射線源，發現一些看似人畜無害的恆星也會發出很強的X射線輻射。

他還發現宇宙X射線背景輻射主要是由分立的X射線源，特別是活動星系核所貢獻的。這些成果大大促進了X射線天文學的發展，愛因斯坦衛星也被認為是X射線天文學發展史上具有里程碑意義的一顆天文衛星。

錢德拉

錢德拉X射線太空望遠鏡的研製成本為15.5億美元，原名為先進X射線天文設備。1998年，該為紀念美籍印度裔天體物理家錢德拉塞卡而更名。（這位物理學家在物理學和文學方面都頗有建樹。曾研讀莎士比亞的作品，並且把牛頓老爺子的《自然哲學的數學原理》用大眾可以理解的語言重寫了一遍。）

上圖為錢德拉在哥倫比亞號太空梭內部的樣子。

1999年7月23日，錢德拉X射線天文台由哥倫比亞號太空梭搭載升空，運行在一條橢圓軌道上（近地點為1萬公里，遠地點為14萬公里，軌道周期為64小時）。

這個太空望遠鏡同樣也是那位幸運的義大利小哥賈科尼博士建議建造的。可惜的是，在1992年，為了削減預算，該望遠鏡的主鏡數目由原計劃的12個減為4個，終端設備也減掉2台，軌道改為橢圓形，最遠距離達到地月距離的三分之一，這樣做目的是避開地球輻射帶的影響，但一旦發生故障，將無法用太空梭對其進行維修。

這部太空望遠鏡可謂是穩得很！她在M82星系中發現了中等質量黑洞的證據、發現伽瑪射線暴GRB 991216中的X射線發射、觀測到了銀河系中心超大質量黑洞人馬座A的X射線輻射。上圖是M51星系。錢德拉望遠鏡捕獲了該星系釋放的大量X射線。

錢德拉望遠鏡拍攝到的M31星系核心部位的大量X射線放射源（大多為黑洞）。

就連遙遠的本身不發光的星體也能夠因反射X射線而在錢德勒望遠鏡上成像。上圖為冥王星和他呈現的X射線圖像。

錢德勒望遠鏡在遙遠的英仙座發現了大型黑洞。上圖是在X射線波段，英仙座呈現出來的壯美的波紋結構。

科學家藉助錢德拉望遠鏡與其他天文望遠鏡的數據製成的超新星爆炸多波段照片。

遙遠星系的超大質量黑洞

銀河中的超級黑洞

藉助錢德拉望遠鏡，人類獲得了觀察半人馬座（三體人所在的星系）這個老朋友的新的視角。

在半人馬座星系的中心，有一個大型的天體系統，稱為NGC 4696，其核心部位是一個超大質量的黑洞。錢德拉望遠鏡拍攝的這張照片非常有名，被稱作「黑洞的跳動之心」。

這個黑洞就像整個星系的一顆心臟，正在將物質和能量拋射到星系的其他地方。這種強烈的爆發在星系空間中形成了空腔，其類似激波的結構非常像超聲速飛行在空中剛剛飛過時的場景。

星球大戰中的死星，有著瞬間毀滅星球的巨大破壞力。

然而，死星比起超大質量黑洞來說，還是弱爆了。錢德拉望遠鏡捕獲到了這樣一個瞬間：一個巨型黑洞正在向外以光速噴射大量能量和X射線。

這種帶有可怕能量的射流恰好命中了30萬光年之外的一個「目標」，迸發出激烈的X射線輻射。目標天體上要是有生命的話，這一下子就全完蛋了。

小夥伴們，祈禱銀河系的黑洞千萬別沖著太陽系來這麼一下子吧！

距離地球39億光年之遙的星系團。這樣照片是由哈勃望遠鏡的可見光影像（金色）與錢德拉望遠鏡的X射線影像（紫色）疊加而成的。

照片中間部位的紫色區域又亮又大。實際上，這是一個非常非常巨大的黑洞。整個系統的質量至少是太陽的1萬億倍！周圍的星系跟他相比都顯得渺小了起來。

《宋史·天文志》

「宋至和元年五月己丑，客星出天關東南可數寸，歲余稍末。」

《宋會要》卷五十二中記載：

「 至和元年七月二十二日，守將作監致仕楊維德言：伏睹客星出現，其星上微有光彩，黃色。謹案《黃帝掌握占》云：客星不犯畢，明盛者，主國有大賢。乞付史館，容百官稱賀。詔送史館。

嘉祐元年三月，司天監言：客星沒，客去之兆也。初，至和元年五月，晨出東方，守天關，晝見如太白，芒角四齣，色赤白，凡見二十三日。」

根據中國史籍中的記錄可以推斷，這是一顆在公元1054年突然爆炸的超新星。這顆星當時在23天的時間內，在白天都可以見到，在夜晚可見的時間則持續了一年十個月。

宋朝天文學家將這顆星稱作「天關客星」。900多年後，錢德拉望遠鏡瞄準史書上記載的天關客星（金牛座）的位置，拍到了上圖那樣的場景。這是超新星爆炸後形成的星雲。當然，她有一個名字：「蟹狀星雲」。上圖是錢德拉望遠鏡憑一己之力拍到的X射線波段的蟹狀星雲。

這是哈勃望遠鏡趕來幫忙，用可見光波段來豐富照片內容後，形成的哈勃（紅）與錢德拉（藍）合作後拍攝的蟹狀星雲照片。

拉近鏡頭看細節，可以看到經典的瑞利-泰勒不穩定性的絲狀結構。

這是人類5大望遠鏡聯手之後，共同拍攝的蟹狀星雲照片，於2017年5月11日向全世界的公眾發布。

這是迄今為止人類能夠看到的蟹狀星雲最清晰的樣子，不知道宋朝的科學家看到這樣的景象，會吟出怎樣的詩篇！

這5大望遠鏡是：哈勃太空望遠鏡、錢德拉X射線太空望遠鏡、牛頓X射線太空望遠鏡、甚大射電望遠鏡陣列（由27台25米口徑的天線組成的射電望遠鏡陣列，位於美國新墨西哥州的聖阿古斯丁海拔2124米的高原上，是世界上最大的綜合孔徑射電望遠鏡）、斯皮策太空望遠鏡（大型軌道天文台計劃中的最後一台太空望遠鏡）。

X射線天文望遠鏡為人類觀測宇宙開拓了新的視野。以X射線觀察宇宙，人類發現宇宙不再像肉眼所見的那樣祥和與寂靜。黑洞的巨大引力撕碎了臨近的恆星，在那驚天動地的過程中，恆星與黑洞爆發了響徹霄漢的嘶吼，穿越數億光年的距離來到地球附近。不過這個過程非肉眼凡胎可見，目前只能以X射線的形式被相應的探測器感知到。

而星系的碰撞與交融、超新星的爆炸與中子星的誕生，這些宇宙中蕩氣迴腸、波瀾壯闊的場景，都仰賴X射線天文望遠鏡來觀測。

硬X射線比X射線的能量更高，這是研究黑洞乃至宇宙形成的早期階段的樣貌非常關鍵的波段。早在上世紀90年代初，美國國家科學研究委員會就把硬X射線成像列為90年代空間高能項目的最高優先順序了。

錢德拉望遠鏡（藍色）與巨米波射電望遠鏡（紅色）共同捕獲的兩大星系團（阿貝爾3411星系與阿貝爾3412星系）碰撞與合併的壯麗場景。

這才叫冰與火之歌

牛頓

XMM-牛頓計劃始於1984年，1997年3月開始建造，原名為「高通量X射線分光任務」，為了紀念發明了分光鏡的牛頓老爺子而改名為XMM-牛頓太空望遠鏡，其中XMM是X-ray Multi-Mirror Mission（X射線多鏡面任務）的縮寫。

1999年12月10日，XMM-牛頓太空望遠鏡在法屬蓋亞那的庫魯發射場用阿里亞娜5型火箭發射升空。

在小火箭本文的蟹狀星雲部分中，牛頓X射線太空望遠鏡作為5大望遠鏡之一已經出鏡過一次了。

這是牛頓望遠鏡與錢德拉望遠鏡聯手拍攝的科馬星系群。照片中的明亮紫色是溫度高達數百萬攝氏度的星際塵埃輻射出的X射線。

結束語

小火箭準備用怎樣的一幅照片來結束本文呢？

這張吧！

這是哈勃望遠鏡和眾多望遠鏡聯手拍攝的一個距離地球2萬光年的一個非常年輕的星系。這些星星的年齡介於100萬年到200萬年之間。可見光波段展示了精美的星繫結構，而X射線波段則穿透了茫茫宇宙塵埃，幫助人類看到了隱藏在塵埃中的更多星體（紫色）。

當然，人類不能以掌握了X射線這項技能而沾沾自喜，還有伽馬射線這個領域等著人類來開拓呢！

伽瑪射線更加高能。宇宙中的伽馬射線暴具有非常巨大的能量，往往在幾秒內釋放出的能量就相當於數百個太陽一生中所釋放出的能量總和，是人們已知的宇宙中最猛烈的爆發。

1997年12月14日發生的一次伽瑪暴，距地球120億光年，在爆發後一兩秒內，其亮度就與除它以外的整個宇宙一樣明亮，它在50秒內釋放出的能量相當於整個銀河系200年的總輻射能量，比超新星爆發還要大幾百倍。而1999年1月23日發生的一次伽瑪暴比這還要猛烈十倍。

對伽馬射線暴的研究將開啟人類星辰大海事業的新篇章。星際艦隊已出發！與小火箭一起攜手仰望宇宙的深邃與壯美吧！

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