洞察不可見的宇宙:錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡
1999年7月23日,旗艦級X射線天文台:NASA的錢德拉X射線空間望遠鏡發射升空。
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在地球軌道上運行的「錢德拉塞卡」X射線空間望遠鏡
錢德拉X射線空間望遠鏡,我們觀察黑洞,類星體,超新星等高能天體的太空利器。它所觀察的宇宙,是我們肉眼無法觀察到的。
1999年7月23日,以美籍印度物理學家錢德拉塞卡的名字命名的這台「旗艦級」空間望遠鏡發射升空。它每64個小時圍繞地球運行一圈,迄今已經在太空正常運行接近20年。錢德拉塞卡空間望遠鏡(X射線)與哈勃空間望遠鏡(可見光,近紅外),斯皮策空間望遠鏡(紅外)以及康普頓空間望遠鏡(γ射線)一起,並稱為NASA的「四大空間天文台」。
世界上第一張X射線圖像,1895年12月22日,由德國物理學家倫琴拍攝,這是他妻子的手。天體也會發出X射線。/wiki
X射線天文學充滿挑戰,因為地球大氣會阻擋這種有害的射線抵達地面,因此,要想研究宇宙X射線,你得離開地球大氣層,到外太空去。這方面最早的嘗試是透過探空火箭進行的,觀測的時間長度只能持續幾分鐘,利用探空氣球也只能維持幾小時。
1962年,美籍義大利天文學家裡卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi)和他的研究組發射了一枚搭載X射線探測器的探空火箭,並發現了首個宇宙X射線源。
里卡爾多·賈科尼(Riccardo Giacconi,1931~)/wiki
基於賈科尼的設計,NASA進行了跟進,於1970年發射了世界上第一個X射線空間望遠鏡:「自由」號(Uhuru,「嗚呼嚕」~)。這顆衛星在太空運行超過兩年時間,首次發現了黑洞可能存在的跡象。賈科尼研究組的另一個方向是「愛因斯坦天文台」(Einstein Observatory),這台空間設備於1978年~1981年間在軌運行。這是世界首個能夠進行成像的X射線空間望遠鏡。
通過這一系列的項目,賈科尼成為X射線天文學領域的權威人物,但他還想更進一步,他很快與哈佛大學史密松天文台的哈維·塔南巴姆(Harvey Tananbaum)合作,想要設計一台更加強大的空間設備,並將其命名為「先進X射線天體物理學設備」,其目標是「對宇宙X射線源進行高解析度成像與光譜獲取」。
世界上第一個X射線空間望遠鏡:「自由」號(Uhuru,「嗚呼嚕」~),這是斯瓦西里語,意思是「自由」/NASA
愛因斯坦空間望遠鏡,第一顆具備成像功能的X射線衛星/NASA
這台望遠鏡最初設計於1976年提出,項目在整個1980年代持續推進,到1992年,由於預算限制,設計被進行大幅簡化以節約預算,並為使用太空梭發射進行適配性更改。很快,這台望遠鏡建造完畢,等待發射,它被重新命名為「錢德拉塞卡」,以向1983年度諾貝爾物理學獎獲得者,美籍印度天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡致敬。
1999年7月23日,錢德拉X射線望遠鏡由哥倫比亞號太空梭搭載,發射升空。這在當時是太空梭搭載的最大型載荷。升空8小時後,望遠鏡從太空梭貨艙內釋放,並使用助推段發動機調整軌道,數天後,望遠鏡部署到位。
美籍印度天體物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar,1910~1995)/wiki
1999年7月23日,STS-93次任務,哥倫比亞號太空梭搭載錢德拉塞卡X射線望遠鏡升空/NASA
最終,錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡運行在一個圍繞地球的大橢圓軌道上,近地點1.6萬公里,遠地點13.3萬公里。在其運行到軌道遠地點時,其距離幾乎相當於地月距離的1/3,這種軌道使其能夠對某個天體目標持續觀測超過52小時。
至於賈科尼,他功成名就,在2002年由於在X射線天文學領域的傑出貢獻而被授予諾貝爾物理學獎。他的老搭檔塔南巴姆在1991年成了「錢德拉塞卡X射線中心」的主任,至今。
1999年8月中旬,錢德拉塞卡望遠鏡「開光」,也就是進行首次觀測,拍攝了仙后座A的圖像,這是1572年第谷·布拉赫觀測到的超新星爆發留下的遺迹。
哈佛大學史密松天文台的哈維·塔南巴姆(Harvey Tananbaum)/wiki
STS-93任務的宇航員們與錢德拉塞卡X射線空間望遠鏡的模型/NASA
首次成像的質量很高,但更重要的是,錢德拉塞卡望遠鏡能夠在不同的波段察覺其他波段無法察覺的信息,比如搜尋超新星遺迹中心位置有無中子星或黑洞的存在。
在過去的將近20年里,錢德拉望遠鏡對黑洞遺迹其他高能天體進行了大量觀測,積累了海量觀測數據,極大推進了X射線天文學的發展。
第谷超新星遺迹「仙后座A」/NASA
錢德拉望遠鏡拍攝的X波段圖像/NASA
2017年,引力波事件對應體圖像/NASA
最近的進展,比如在2017年,錢德拉望遠鏡參與了那場與引力波天文學有關的國際聯合觀測,它成功捕獲兩顆遙遠中子星合併產生的高能「閃光」。激光干涉引力波天文台(LIGO)則檢測到與這次碰撞事件關聯的引力波事件,從而激勵科學家們去搜尋與之對應的爆發事件。
這是人類首次同時在電磁波和引力波兩個窗口觀察到同一次天文事件,標誌著人類「多信使天文學」(multi-messenger astronomy)的開端。
編者按:
《天文史上的今天》欄目是老嚴的一次個人歷險,試圖通過堅持365天,完整記錄一年中每一個日子在人類漫長的天文歷史中留下的印記。
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文/老嚴編輯/懷塵
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