錢德拉太空望遠鏡：揭示看不見的宇宙

錢德拉x射線天文台是美國宇航局的望遠鏡，用來觀察黑洞、類星體、超新星等等——宇宙中所有的高能量來源。它展示了人類肉眼看不到的宇宙的一面。在服役十多年後，天文台幫助科學家們瞥見了宇宙的運行。它觀察到星系碰撞，觀察到黑洞與宇宙的颶風，還觀察到超新星在爆炸後內部翻轉。該望遠鏡與哈勃太空望遠鏡、斯皮策太空望遠鏡和康普頓伽馬射線天文台一起被宣傳為美國宇航局的一個大型天文台，同時也是該機構的公關工具，NASA經常在新聞稿中使用它的照片。錢德拉的一幅更值得注意的圖片是一個宇宙「手」伸向一個明亮的星雲，儘管科學上的解釋完全不同。

發展中錢德勒

x射線天文學特別具有挑戰性，因為需要離開地球的大氣層去觀察射線。第一次x射線觀測是短暫的，在幾分鐘的火箭飛行中進行，或者可能在平流層的氣球中停留幾個小時。1962年義大利裔美國天文學家裡卡多·賈科尼(Riccardo Giacconi)和他的團隊將一枚裝有x射線探測器的火箭送入太空，並發現了恆星x射線的第一個來源，賈科尼自然渴望做更多的研究。根據他的設計，美國宇航局發射了第一架x射線望遠鏡:Uhuru，也被稱為小型天文衛星-1。它在軌道上停留了兩年多，發現了黑洞的第一個跡象。他的團隊的另一個想法——愛因斯坦天文台——從1978年飛到了1981年。這是第一個可以拍照的x射線望遠鏡。

紅色代表低能量的x射線，中等範圍是綠色的，能量最強的是藍色的，這個藍色的手狀結構是由它們周圍垂死的恆星PSR B1509-58發出的能量創造出來的，紅色區域來自鄰近的氣體雲RCW 89。圖片：NASA/CXC/SAO/P.Slane, et al.

Giacconi現在是x射線天文學的權威，與史密森學會的Harvey Tananbaum合作，提出了一個更強大的天文台。被稱為先進的x射線天體物理學設備，它的目標是拍攝「高解析度的x射線源圖像和光譜」。該望遠鏡於1976年首次提出。這項工作在20世紀80年代開始，望遠鏡在1992年進行了重新配置(通過減少鏡子和儀器)，以節省資金並使其適合於太空梭發射。發射前不久，該望遠鏡以諾貝爾獎得主、天體物理學家錢德拉塞卡命名為「錢德拉」。錢德拉於1999年7月23日從哥倫比亞號太空梭的有效載荷艙內發射，這是太空梭有史以來發射的最大的衛星。

就在哥倫比亞號到達太空的8個小時後，錢德拉離開了太空梭的遮蔽處，用火箭飛離。控制人員在接下來的幾天里對錢德拉的軌道做了一些調整。當最後確定的時候，錢德拉是在一個環繞地球的橢圓形軌道上，從大約9,940英里(1.6萬公里)到82,650英里(13.3萬公里)。在天頂，錢德拉距離地球到月球的距離約為三分之一。這使得它可以觀察長達52個小時，直到失去目標。至於長期以來的錢德拉冠軍賈可尼呢?2002年，他因在x射線天文學方面的開創性工作而獲得諾貝爾獎。他的同事Tananbaum在1991年成為錢德拉x光中心的主任，他現在仍然擔任這個職位。

第一束光後的目標

1999年8月中旬，錢德拉第一次將望遠鏡對準太空。它的第一張照片是仙后座A，它是一顆恆星的殘骸，它在1572年由第谷·布瑞爾所見證的一顆超新星爆炸。畫面很美，但更重要的是，錢德拉已經在探究仙后座A的歷史，科學家可以看到中子星或黑洞靠近中心的證據，同年晚些時候，天文學家在《天體物理學雜誌快報》上發表了一篇論文，討論在圍繞著這顆恆星的氣體中發現的錢德拉元素。

美國宇航局的錢德拉x射線天文台漂浮在太空中。圖片：NASA/CXC

這些發現包括從恆星內部噴發出來的硫、硅和鐵。恆星傾向於在它們的生命早期燃燒它們的氫和氦;當這些元素融合的時候，恆星的溫度在爆炸前達到了數十億華氏度。錢德拉早期的另一個目標是蟹狀星雲，它第一次顯示了在星雲中心圍繞脈衝星的圓環。在此之前，哈勃曾探測到中子周圍的物質，但這個環卻是全新的。它應該告訴我們很多關於脈衝星的能量是如何進入星雲的，這就像找到發電廠和燈泡之間的傳輸線。

黑洞開端

在運作的第二年，錢德拉開始大步前進。關於望遠鏡的研究，經常有更新的報道:嵌入獵戶座星雲的x射線輻射恆星，通過吞併鄰近星系而成長的星系，以及嬰兒恆星的證據。該望遠鏡還開始了一系列有關黑洞的發現。它發現了一個2型類星體黑洞的證據，它在之前隱藏黑洞存在的厚物質層後面散發出x射線。後來科學家宣布在M82星系中可能存在一種新的黑洞。通過8個月的觀察，科學家們表示，黑洞可以代表由恆星形成的小黑洞和隱藏在星系中心的大得多的大得多的黑洞之間的進化階段。M82的黑洞將至少500個太陽的質量壓縮到一個與月球差不多大小的區域。這樣一個黑洞的形成需要極端的條件，比如『超級巨星』的崩潰或者大量黑洞的合併。

可能的暗物質和其他發現

天文學家一直在尋找「暗物質」，人們相信「暗物質」實際上是構成宇宙大部分的無形物質。到目前為止只能通過引力探測到它。2006年一組天文學家使用錢德拉望遠鏡觀察了1E0657-56星系團，該星系團包含了來自星系團碰撞的氣體。錢德拉的觀測結果與其他幾個天文台的觀測結果相結合。研究人員研究了星系團對引力透鏡的影響，這是已知的引力扭曲背景星系光線的方式。他們對重力的觀察表明，在星系碰撞過程中，正常物質和暗物質被撕裂。在暗物質搜尋仍在繼續的同時，錢德拉已經被用來尋找其他丟失的物質。2010年研究人員利用錢德拉望遠鏡和歐洲航天局(European Space Agency)的xmm -牛頓天文台(XMM-Newton observatory)探測了一個氣藏，氣藏位於距離地球約4億光年的星系壁上。

科學家們發現了重子的證據，重子是電子、質子和其他組成物質的粒子，這些物質在我們的宇宙中隨處可見。研究人員懷疑氣體中含有大量的這種物質。當科學家們繼續探索物質的本質時，錢德拉繼續製造出驚人的圖片，同時也揭示了宇宙的結構。這些照片包括對行星狀星雲和快速增長的星系群的調查，以及在大麥哲倫星雲中發現的「超級氣泡」。2013年錢德拉探測到銀河系超大質量黑洞的破紀錄爆發，該黑洞被稱為人馬座a *或Sgr a *。當時天文學家正在觀察Sgr A*如何對當時被懷疑是氣體雲的物質做出反應，但後來被確定為圍繞著緻密物體的氣體雲。雖然G2並沒有產生科學家們所希望的煙火，但科學家們確實發現了一個比黑洞正常的靜止狀態還要亮400倍的巨型耀斑，比先前的記錄保持者要亮3倍。

馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院的弗雷德·巴格諾夫在一份聲明中說：如果一顆小行星被撕裂，它會在黑洞周圍轉上幾個小時，就像水環繞著一個開放的排水溝一樣。」「這就是我們看到最明亮的x射線耀斑持續的時間，這是我們需要考慮的一個有趣的線索。另一種理論認為，G2內部的磁場線在流向Sgr A*時變得紊亂。磁場線偶爾的重構會產生明亮的x射線爆發，就像太陽上的磁耀斑一樣。在2017年，錢德拉是接收到兩顆合併的中子星爆炸產生的高能光脈衝的幾台儀器之一。美國國家科學基金會(National Science Foundation)激光干涉引力波天文台(LIGO)的觀測發現了與撞擊有關的引力波，這促使科學家們尋找爆炸餘波的跡象。

美國宇航局天體物理學部門主任保羅·赫茲(Paul Hertz)在一份聲明中說：這是一門非常令人興奮的科學。現在我們第一次看到光和引力波是由同樣的事件產生的。對引力波光源的探測揭示了無法由引力波決定的事件的細節。許多天文台的研究產生的乘數效應令人難以置信。錢德拉甚至幫助人類準備前往其他星系的航行。2018年，錢德拉宣布了對半人馬座阿爾法星系(Alpha Centauri)長達10年的研究結果。半人馬座阿爾法星系是距離太陽最近的恆星系統。三顆恆星系統距離地球僅4光年，是「突破之星」(Breakthrough Starshot)等項目的目標，該項目旨在向該系統發射一群納米粒子，以尋找潛在生命。錢德拉的數據顯示，半人馬座阿爾法星A周圍的x射線轟擊略好於太陽，而半人馬座阿爾法星B周圍的x射線轟擊略差。

科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado Boulder)的研究人員湯姆·艾爾斯(Tom Ayres)在一份聲明中說：這對阿爾法Cen AB來說是個好消息，因為在它們的任何一個行星上，都有可能存在生命，從而能夠經受住來自恆星的輻射，錢德拉告訴我們，生命應該在這兩顆恆星周圍的行星上有戰鬥的機會。錢德拉的使命原本預計將持續五年，然後延長至至少10年，但經過18年多的運作後，它仍將保持強勁勢頭。在2010年接受Space.com採訪時，錢德拉的經理兼飛行主管羅傑布里森登(Roger Brissenden)表示，這款設備擁有足夠的動力和推進系統儲備，可以持續到「至少2018年」。幾十年的燃料已經足夠了，20年的任務將觸手可及。

博科園-科學科普｜文：Elizabeth Howell/Space

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