X射線天文學(xué)的發(fā)展史

說到X射線，想必很多人都不會感覺陌生。比如在醫(yī)院體檢的時候，醫(yī)生通常的檢查手段就是會用X射線儀透視我們的身體，查找各種可能的病癥;又比如我們?nèi)プ疖?、汽車、飛機等，都可以見到X光行李檢查儀來檢測危險品等。正是因為X射線的這種強大的本領(lǐng)，在現(xiàn)代社會中，X射線不但廣泛用來幫助人們進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和治療；同時，也大量用于工業(yè)上的非破壞性材料的檢查。

實際上，X射線是科學(xué)家無意間發(fā)現(xiàn)的。1895年11月，德國物理學(xué)家倫琴(W.K.Roentgen )在進(jìn)行陰極射線的實驗中，意外的發(fā)現(xiàn)射線管中會發(fā)出了某種神秘的射線。因為當(dāng)時對于這種射線的本質(zhì)屬性了解甚少，所以他稱之為X射線，表示未知的意思，現(xiàn)在也稱為倫琴射線。不過，也許連倫琴自己也沒有想到，他無意中發(fā)現(xiàn)的這種射線成為了19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生，而在1901年諾貝爾獎次頒發(fā)時，倫琴也這一發(fā)現(xiàn)而獲得了這一年的物理學(xué)獎。

X射線的發(fā)現(xiàn)者-倫德國物理學(xué)家倫琴

現(xiàn)在我們知道X射線實際上是一種波長很短電磁波?？梢姽庖彩请姶挪?，不過X射線的波長比可見光要短得多。宇宙空間的各種天體，在各種波長上發(fā)出的電磁輻射，包括可見光和X射線，給我們帶來了關(guān)于天體的信息，這使得X射線在天文學(xué)研究方面也得到了廣泛應(yīng)用。

自古以來，人們一直在可見光波段觀測天體，這就是傳統(tǒng)的光學(xué)天文學(xué)。在很長的時期里，人們只能接收天體發(fā)出的可見光，這其實是電磁輻射中極其狹窄的范圍。事實上，許多天體如恒星、星系等在發(fā)出可見光的同時還發(fā)出射電、紅外、紫外、X射線或γ射線等輻射。

按照現(xiàn)代物理學(xué)的觀點，電磁輻射（包括可見光）既具有波動的性質(zhì)，也具有粒子的性質(zhì)。這稱為波粒二象性。電磁輻射中的粒子稱為光子。電磁波的能量就以光子的能量表示。電磁波的波長越短（頻率越高），相應(yīng)光子的能量越大。X射線的波長從10納米到0.002納米，其光子攜帶著相當(dāng)大的能量，所以天體的高能現(xiàn)象都伴隨著X射線（有時還有γ射線）的輻射。X射線中波長較短即能量較大的部分，又稱為硬X射線，波長較長即能量較小的部分，又稱為軟X射線。在X射線的這兩端，分別與γ射線和紫外線波段的一部分重合，彼此很難截然區(qū)分。

不過，地球的表面覆蓋著深厚的大氣層。地球大氣中的各種粒子對進(jìn)入大氣的電磁波產(chǎn)生吸收和散射等作用，使得除可見光、部分無線電波和小部分紅外線以外的天體輻射都難以穿透大氣到達(dá)地面。為了克服大氣對地面觀測的限制，空間天文技術(shù)應(yīng)運而生。這就是應(yīng)用高空氣球、探空火箭和人造衛(wèi)星等運載天文觀測儀器到大氣層外進(jìn)行觀測?？臻g天文探測的對象主要是被阻擋在大氣窗口之外的各種電磁波段，即γ射線、X射線、紫外線、紅外線以及從短波到甚長波的射電波。

X射線天文學(xué)發(fā)展的三個里程碑

1.     X射線探空火箭的發(fā)現(xiàn)

就X射線的探測來說，美國進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作。早期的探測工作集中于對太陽的研究，探測的工具主要是探空火箭。1948年美國實驗室的科學(xué)家用V-2火箭發(fā)射至近百千米的高空，首先接收到來自太陽的X射線輻射。此后十余年中，繼續(xù)用火箭監(jiān)測太陽的X射線輻射。1960年，該實驗室的布萊克（R.L.Blake）等人利用“空蜂”號火箭攜帶一架針孔直徑為0.0127厘米的針孔照相機成功地拍攝到太陽的X射線照片，這也是人類獲得的張X射線照片。

20世紀(jì)60年代，用高空火箭還做出了許多發(fā)現(xiàn)。首先，1962年6月，美國麻省理工學(xué)院以里卡爾多·賈科尼（R.Giacconi）為首的科研組發(fā)射的一枚火箭，達(dá)到230千米的高度，用以探測太陽輻射產(chǎn)生的月面熒光X射線輻射。 6月28日，次成功地探測到太陽系之外的一個X射線源，它發(fā)射的X射線亮度比可見光亮度約大1000倍。該源被命名為天蝎座X-1，這是人類探測到的個太陽系外的X射線源。此前人們曾經(jīng)有一種觀念，認(rèn)為太陽系之外的X射線源無法探測到，而這個發(fā)現(xiàn)破除了這種錯誤認(rèn)識。從此，賈科尼等人開創(chuàng)了太陽系外X射線天文學(xué)的發(fā)展階段，堪稱X射線天文學(xué)發(fā)展的個里程碑。

1964年，拍攝到太陽X射線冕洞的照片。

1966年，探測到巨橢圓星系M87的X射線輻射，這是探測到的個河外X射線源。

1967年，探測到宇宙X射線背景輻射。

1969年，發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云脈沖星PSR 0532的X射線的脈沖輻射，這是顆發(fā)現(xiàn)的X射線脈沖星。此外，還發(fā)現(xiàn)了一些密近雙星成員的X射線源如天鵝座X-1、武仙座X-1等。在60年代使用火箭共發(fā)現(xiàn)了約30個X射線源。

2.     X射線探測衛(wèi)星升空

高空火箭的留空時間非常短暫，為了克服這一缺陷，從60年代起，已經(jīng)開始使用衛(wèi)星來探測天體的X射線輻射。例如1962年～1969年美國發(fā)射的“軌道太陽觀測臺”（OSO）1至6號，以及1969年蘇聯(lián)和東歐共同發(fā)射的“國際宇宙”1號，都對太陽的X射線輻射等進(jìn)行了探測，而主要工作并不是宇宙X射線的探測。

1970年，發(fā)射了一顆專門用于X射線探測的“烏呼魯”（Uhuru，斯瓦希里語“自由”的意思）號衛(wèi)星。由于發(fā)射地點是在非洲的肯尼亞（斯瓦希里語是該國的通用語言），而發(fā)射日期12月12日正巧是肯尼亞的獨立紀(jì)念日，當(dāng)日該國人民為慶祝獨立高呼“烏呼魯”，遂以此命名衛(wèi)星。該衛(wèi)星上攜帶的兩個探測器，分別能達(dá)到0.5度和1度的定位精度，可以探測波長0.06納米～0.57納米的X射線輻射。之前火箭飛行時間短暫，每次只能觀測幾分鐘。因為是專用衛(wèi)星，可在繞地球的軌道上進(jìn)行長期觀測，尤其可連續(xù)監(jiān)測個別的X射線源，以便發(fā)現(xiàn)它們的X射線輻射強度隨時間的變化。在3年內(nèi)，它完成了X射線波段的系統(tǒng)巡天，提供了全天X射線源的分布圖。1974年，由賈科尼的小組，發(fā)表了利用“烏呼魯”衛(wèi)星對銀河系內(nèi)X射線源的巡天結(jié)果，得到了銀河系X射線源的分布圖。結(jié)果表明，絕大多數(shù)的銀河系X射線源都位于銀道面附近（不超過20°），位于旋臂內(nèi)，它們也表現(xiàn)出向銀心聚集的傾向?！盀鹾趑敗毙l(wèi)星在完成的巡天觀測中發(fā)現(xiàn)了339個X射線源，為天文學(xué)家展示了許多發(fā)射X射線輻射的各種類型的天體。

“烏呼魯”的另一重大成就是發(fā)現(xiàn)了銀河系中的X射線雙星，它也證認(rèn)了天鵝座X-1。賈科尼教授排除了這個X射線源是超新星爆炸的可能性，確定此現(xiàn)象來自一個穩(wěn)定系統(tǒng)。他提出了雙星引力能釋放模型。實際上它是由一顆藍(lán)和一顆發(fā)射X射線的子星組成的雙星，根據(jù)“烏呼魯”衛(wèi)星探測到的X射線輻射的特征，人們認(rèn)為后一子星很可能是一個黑洞?！盀鹾趑敗毙l(wèi)星的發(fā)射是X射線天文學(xué)發(fā)展的第二個里程碑。

繼“烏呼魯”之后，美國、西歐、日本和蘇聯(lián)共發(fā)射了20多顆X射線天文衛(wèi)星。1972年8月美國的“軌道天文臺”3號（OAO-3）發(fā)射升空，后來為紀(jì)念哥白尼誕生500周年，被命名為“哥白尼”衛(wèi)星。它攜有一架口徑81厘米的反射望遠(yuǎn)鏡，另外還攜有3架小型X射線探測器。

1974年8月荷蘭發(fā)射的“荷蘭天文衛(wèi)星”1號、1974年10月英國發(fā)射的“羚羊”5號、1975年5月美國和意大利聯(lián)合發(fā)射的“小型天文衛(wèi)星”3號、1977年8月美國發(fā)射的“高能天文臺”1號（HEAO-1）等都對天體X射線輻射的探測做出了重要貢獻(xiàn)，相繼發(fā)現(xiàn)了一批暫現(xiàn)X射線源和X射線暴源，發(fā)現(xiàn)了X射線爆發(fā)和許多新的X射線源，使得至70年代末，已發(fā)現(xiàn)的X射線源的總數(shù)達(dá)到1500多個。

1974年4月5日的火箭飛行探測到御夫α（五車二）的X射線輻射，它被認(rèn)為來自該星的星冕，這是除太陽以外個發(fā)現(xiàn)的恒星X射線冕源。

3.     X射線望遠(yuǎn)鏡誕生

在以往發(fā)射的火箭和衛(wèi)星上，接收X射線用的儀器是計數(shù)器，只能記錄射入儀器且能量在某一范圍內(nèi)的X射線光子數(shù)目，而且它們探測X射線源的方向性較差，尤其是不能成像，這更是重大缺陷。天體的X射線像不可能用普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡去觀測。X射線的波長大多短于1納米，對于這樣短的波長，普通的折射鏡和反射鏡都無法使之成像。因為，構(gòu)成鏡面的固體材料中兩個原子之間的典型間隔約0.1納米，所以入射X射線遇到的是對它說來一個非?！按植凇钡谋砻?，這樣在遇到每一個原子時會向極其雜亂的各個方向發(fā)生散射，從而成不了像。賈科尼等人經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，雖然X射線既不能被透鏡折射也不能被反射鏡反射，但對于光子能量小于12千電子伏(電磁波波長約長于0.1納米)的軟X射線而言，在非常傾斜的掠射角下，即X射線以與鏡面幾乎平行、僅僅1°至2°的交角入射，原子似乎挨得更緊密，這樣就會產(chǎn)生全反射。這種方式稱為掠射。利用這一原理，20世紀(jì)70年代中期他們研制成掠射式X射線望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡由4層內(nèi)外套著的環(huán)組成，4層環(huán)中每層環(huán)圈上都有一組特定的拋物面鏡和雙曲面鏡，利用先后兩次全反射使收集到的X射線聚焦于同一焦點，最后獲得天體的X射線像。這使大面積X射線聚焦成像技術(shù)成為現(xiàn)實，制成了真正有研究價值的高分辨本領(lǐng)的X射線望遠(yuǎn)鏡。

1978年11月美國發(fā)射了HEAO-2衛(wèi)星（“高能天文臺-2”）。1979年正逢愛因斯坦誕辰100周年，為了紀(jì)念這位偉大的科學(xué)家，“高能天文臺-2”衛(wèi)星又被命名為“愛因斯坦X射線天文臺”。它攜帶了架X射線望遠(yuǎn)鏡，口徑為0.58米，使用了掠射成像技術(shù)，從而產(chǎn)生了張由衛(wèi)星拍攝的X射線像。它的發(fā)現(xiàn)豐富，主要有：記錄到銀河系內(nèi)各種正常恒星發(fā)出的X射線，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)類星體都是X射線源，發(fā)現(xiàn)了發(fā)射X射線的球狀星團(tuán)，發(fā)現(xiàn)了一個溫度高達(dá)30萬開的X射線氣環(huán)等等。與以往的X射線天文衛(wèi)星能探測到的最暗的X射線源相比，它能發(fā)現(xiàn)暗1000倍的X射線源。它的定位精度達(dá)到1角分，分辨角達(dá)到2角秒，可與地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相匹配。愛因斯坦X射線天文臺于1980年4月停止工作，盡管目前它已成為歷史，但是它的發(fā)射被看成X射線天文學(xué)發(fā)展的第三個里程碑。

X射線天文學(xué)發(fā)展的新階段

X射先天文學(xué)在以上發(fā)展的基礎(chǔ)上，于上世紀(jì)90年代起進(jìn)入了發(fā)展的新階段。1990年6月，德國、美國和英國聯(lián)合發(fā)射了ROSAT衛(wèi)星。為紀(jì)念X射線的發(fā)現(xiàn)者倫琴，它又稱為“倫琴X射線天文衛(wèi)星”，其上安裝著兩架口徑分別為84厘米和57厘米的掠射式X射線望遠(yuǎn)鏡。靈敏度比愛因斯坦X射線天文臺提高近100倍，實現(xiàn)了X射線源的探測在靈敏度和角分辨率上的飛躍。它首先開展了為時半年的巡天觀測，發(fā)現(xiàn)了大約8萬個X射線源，使被發(fā)現(xiàn)的X射線源的總數(shù)一下子擴大了20倍。在以后7年多的時間內(nèi)，完成了9千多次定點觀測，獲取了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。它發(fā)現(xiàn)了月球、5顆彗星和18顆脈沖星的X射線輻射；對超新星、超新星遺跡和河外星系作了觀測和研究，獲得了許多非常重要的新成果。

ROSAT衛(wèi)星

1999年7月，美國宇航局用“哥倫比亞”號航天飛機把“高級X射線天體物理衛(wèi)星”送入太空。為紀(jì)念美籍印度裔天體物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者錢德拉塞卡（S. Chandrasekhar），把它命名為“錢德拉X射線天文臺”。它的主體是一臺口徑1.2米的大型掠射式X射線望遠(yuǎn)鏡，工作在0.25納米～6納米波段，提供了亞毫角秒的天體像和高質(zhì)量的X射線譜線像。它是迄今為止進(jìn)入太空的密的天文望遠(yuǎn)鏡之一，比愛因斯坦天文臺靈敏度又提高了1000倍，探測區(qū)域擴展到遙遠(yuǎn)的宇宙深處。為了避免地球輻射帶的影響，它運行在環(huán)繞地球的大橢圓軌道上。它的主要觀測任務(wù)是提供關(guān)于黑洞和河外星系碰撞的高能現(xiàn)象以及超新星遺跡等主要的宇宙X射線源的詳細(xì)資料。

錢德拉X射線天文臺

1999年12月，歐洲空間局發(fā)射了“多鏡面X射線觀測衛(wèi)星”（XMM），后來為紀(jì)念大科學(xué)家牛頓改名為“XMM-牛頓”。它的軌道也是大橢圓形。它的靈敏度又有新的提高。它攜帶的儀器主要有：3臺掠射式X射線望遠(yuǎn)鏡，均由多個套筒組成，一層的直徑為70厘米，焦距為7.5米。另有3臺光子成像照相機、兩臺反射式光柵分光儀，都放置在X射線望遠(yuǎn)鏡的焦平面上。這是次把高分辨分光儀用于X射線的探測。另有一臺口徑30厘米的光學(xué)/紫外望遠(yuǎn)鏡。這樣，它可以在多波段同時成像，一舉獲得X射線源的光學(xué)對應(yīng)體的可見光圖像?！?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">XMM-牛頓”上天以后，已經(jīng)取得了一系列舉世矚目的成就，探測到許多X射線源，其中包括恒星、黑洞、類星體、活動星系，許多天體是觀測到的。

多鏡面X射線觀測衛(wèi)星

據(jù)資料顯示，從1962年到1999年X射線探測的靈敏度提高了100億倍左右，這樣便就能更多、更深、更遠(yuǎn)地看到整個星系，這是異常巨大的進(jìn)步。觀測技術(shù)在X射線波段上的迅速進(jìn)步，以及所取得的許多前所未見的重大發(fā)現(xiàn)，使X射線天文學(xué)成為堪與光學(xué)天文學(xué)和射電天文學(xué)并駕齊驅(qū)的、新興的天文學(xué)分支，展現(xiàn)出光輝的發(fā)展前景。

賈科尼的貢獻(xiàn)

現(xiàn)代X射線天文學(xué)之父-賈科尼

說到X射線在天文學(xué)上的發(fā)展，就不能不提到一個人：2002年諾貝爾物理學(xué)獎得主之一賈科尼。賈科尼1931年出生于意大利北部港口城市熱那亞。1954年，賈科尼在意大利米蘭大學(xué)取得宇宙射線物理學(xué)博士學(xué)位，之后以“富布賴特研究生”身份進(jìn)入美國印第安納州大學(xué)。1959年，28歲的賈科尼受聘加入美國科學(xué)與工程公司。這個公司的主席是羅西（B. Rossi）。1960年，在賈科尼和羅西的開創(chuàng)性論文中，他們研究了X射線望遠(yuǎn)鏡。1962年，賈科尼把3個計數(shù)器裝入空蜂號火箭上發(fā)射到高空，成功地發(fā)現(xiàn)了太陽以外的個宇宙X射線源天蝎座X-1。接著又發(fā)現(xiàn)了均勻的宇宙X射線背景輻射和另外兩個X射線源。其中之一就是的蟹狀星云，是中國古代天文學(xué)家于1054年觀測到的超新星的遺跡。這幾個源都是X射線非常強的新型天體。與太陽相比，天蝎座X-1的X射線輻射強度比光學(xué)強度高出幾千倍，而蟹狀星云的X射線強度更勝幾百億倍。他還探測到了可能來自黑洞周圍的X射線。他們還進(jìn)行了X射線巡天，給出了宇宙的新的X射線圖像。這些發(fā)現(xiàn)開辟了“X射線天文學(xué)”的新領(lǐng)域。

賈科尼不僅在X射線天文學(xué)方面做出了劃時代的發(fā)現(xiàn)，而且還在觀測技術(shù)上有許多重大貢獻(xiàn)。他和他和合作者制作了火箭用的儀器，還發(fā)展了衛(wèi)星用的觀測設(shè)備。他們設(shè)計和研發(fā)了許多X射線天文衛(wèi)星。賈科尼研制了一個宇宙X射線探測器——“烏呼魯”衛(wèi)星，它于1970年發(fā)射升空。他還研制了一個裝備X射線成像望遠(yuǎn)鏡的“愛因斯坦X射線天文臺”，它于1978年進(jìn)入太空，提供了精確的宇宙X射線圖像。1976年，賈科尼倡議研制更為強大的錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡。這一探測器直到1999年才進(jìn)入地球軌道。

賈科尼于1973年被聘為哈佛大學(xué)教授。在那里，他和他的團(tuán)隊發(fā)展了周密的管理方法，讓X射線天文臺能為天文學(xué)家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)數(shù)據(jù)。1981至1993年間，賈科尼出任設(shè)于巴爾的摩的空間望遠(yuǎn)鏡研究所首任所長，把用于愛因斯坦衛(wèi)星的方法用來為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡制定運行計劃、數(shù)據(jù)歸算和文檔系統(tǒng)。1990年，擔(dān)任歐州南方天文臺總臺長，成功地了甚大望遠(yuǎn)鏡陣的4臺8米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)立。1999年，他回到美國任大學(xué)聯(lián)合體主席，負(fù)責(zé)建立設(shè)于智利北部的阿塔卡馬大毫米波陣，兼任美國國立射電天文臺的臺長。

諾貝爾物理學(xué)獎?wù)菍τ谫Z科尼幾十年來在X射線天文學(xué)領(lǐng)域中一系列開創(chuàng)性工作的褒獎。除了在X射線天文學(xué)上的輝煌成就之外，他還是紫外、光學(xué)和射電等天文學(xué)領(lǐng)域中望遠(yuǎn)鏡的人物。他在現(xiàn)代天文觀測能力的發(fā)展中所起的作用是的。賈科尼獲得的其它獎項還有1981年的布魯斯獎、1982年的英國天文學(xué)會金質(zhì)獎?wù)隆?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">2003年的美國國家科學(xué)獎?wù)碌鹊?。?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">3371號小行星以他的名字命名。

現(xiàn)在，經(jīng)過許多科學(xué)家披荊斬棘的開拓，X射線天文學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為一門大學(xué)科，在天文學(xué)中占有舉足輕重的地位。賈科尼的貢獻(xiàn)將永垂人類探索宇宙的史冊。

來源：天文愛好者

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