图解空间望远镜发展史X 射线空间望远镜（上）

文/ 叶楠

X 射线

X 射线是一种高能电磁辐射，波长范围一般在3 纳米至0.03 纳米之间，对应能量范围在100eV 至200keV 之间。通常将能量高于5keV 至10keV、对应波长小于0.2 至0.1 纳米的X 射线称为硬X 射线，反之能量较低、波长较长的X 射线称为软X 射线。1895 年，德国物理学家威廉·伦琴无意中发现了X射线，他将其命名为“X”，以表明这是一种当时未知类型的辐射。这个名字也被一直保留下来，有时我们也用“伦琴射线”这个名字代表X 射线。伦琴也因这一发现获得了1901 年第一届诺贝尔物理学奖。图为1895 年伦琴拍摄的他妻子戴戒指的手，这也是历史上第一张X 射线照片。

X 射线被发现后，由于其强大的穿透特性引起了医学界的极大关注，诸多关于X 射线医疗应用的实验开始广泛出现，但与此同时带来的还有烧伤、脱发、肿胀、水泡等肉眼可见的负面作用。长期暴露在X 射线环境下会对人体机能造成极大损害，还好我们的地球有大气层的保护，来自于天体的X 射线辐射都会被大气层所阻挡。因此，如果我们想探测其他天体的X 射线辐射，就必须要飞到大气层之上。

埃洛比火箭

埃洛比火箭（左图为埃洛比150 型火箭）是德国V-2 火箭改造后的产物，高度只有8 米，用来探测高层大气和外太空辐射。火箭在飞出地球大气层后约有几分钟可以用来收集数据，之后数据会跟随返回设备以软着陆方式返回地面（右图为1951 年火箭返回设备着陆后的场景）。依靠埃洛比火箭，人类首次在大气层外探测到了来自于太阳的X 射线辐射。

意大利裔美国天文学家里卡多·贾科尼领导的团队在1962 年6 月12 日的一次探测中，发现了来自于太阳系外的第一个X 射线辐射源——天蝎座X-1。作为X 射线天文学的开端，40 年后贾科尼因这一发现获得了2002 年诺贝尔物理学奖。埃洛比火箭作为一种低成本小型科研火箭，一直服役到1985 年，共完成1037 次发射。

印度首颗人造卫星

1972 年，印苏签署协议，苏联以帮助印度发射卫星来换取印度港口的使用权。1975 年4 月19 日，以5 世纪末印度著名数学家及天文学家阿耶波多名字命名的印度第一颗人造卫星（左图）从位于苏联的卡普斯京亚尔航天发射场升空，卫星轨道高度563 公里×619 公里、倾角50.7 度。卫星是一个直径约1.4 米的多面体，表面布满太阳能电池板，它携带的设备可以进行X 射线及太阳物理方面的观测。但不幸的是仅仅4 天后，由于供电故障，所有观测设备停止运行。随着轨道慢慢衰减，1992 年2 月11 日，“阿耶波多号”再入大气层烧毁。作为印度第一颗人造卫星，“阿耶波多号”从1976 年至1997 年都被印在2 卢比纸币的背面（右图）。

乌呼鲁X 射线卫星

乌呼鲁X 射线卫星也称为小型天文卫星1 号（SAS-1）或探险者42 号。这是人类发射的第一颗专门用于X 射线天文观测的卫星，可在2 ～20keV 能量范围内搜寻宇宙X 射线源，灵敏度约为蟹状星云发射强度的千分之一，也标志着空间X 射线天文学时代的开始。1970 年12 月12 日，SAS-1 从位于肯尼亚东海岸印度洋上的圣马可海上平台（左图）发射升空，轨道高度520 公里×540 公里、倾角3 度、公转周期96 分钟。“乌呼鲁”在斯瓦希里语里的意思是“自由”，这也成了SAS-1 的昵称。

在SAS-1 升空之前，人类只知道除太阳外的两个X 射线源：天蝎座X-1 和蟹状星云。SAS-1 作为第一颗X 射线卫星在轨运行超过两年时间，根据它的数据编制了乌呼鲁星表，一共发行了四版，最后一版名为4U 星表，包含339 个天体。右图是根据SAS-1 数据绘制的X 射线源全天分布图，其中很多我们现在都耳熟能详，例如天鹅座X-1，它是黑洞的第一候选体；3C 273，它是后续人类发现确认的第一个类星体；船帆座X-1、武仙座X-1 以及半人马座X-3，这几个都是X 射线双星。甚至在它的发现中还包括数个来自于银河系之外的X 射线源。

气球与气球火箭探测

经过改进的埃洛比火箭发射高度可以超过200 公里，但是它最大的缺点是可观测时间非常短暂。如果对高度要求不太高，气球探测可成为一种成本更低、观测时间更长的选择。高空探测气球更多应用在气象和大气研究方面，它最高可以飞到近40 公里。1964 年7月21 日，一枚携带X 射线探测设备的气球从美国德州巴勒斯坦升空，在这里第一次发现了来自于蟹状星云中心的硬X 射线辐射。

在此之前，美国海军还研制了一种气球火箭，利用气球将火箭带到高层大气，再进行点火发射，这样可以节省化学燃料。但这种方式的缺点也很明显：一是负载较低，二是着陆点难以确定。图为1953 年的一次气球火箭升空。

高能天文台1 号与2 号

美国宇航局在20 世纪70 年代末至80 年代初施行的高能天文台项目，简称HEAO，包括3 个大型地球低轨道卫星，用于X 射线和γ 射线波段天文学观测及宇宙线研究。HEAO-1 发射于1977 年8 月12 日，携带的四台仪器可在0.2keV 至10MeV 能量范围内进行巡天观测。对于南北黄极附近的X 射线源，它还可以提供3至6 小时的连续观测。HEAO-2 发射于1978 年11 月13 日，进入轨道后更名为爱因斯坦天文台。在此之前的X射线卫星都是采用大视场巡天观测，而HEAO-2 携带的X射线掠射望远镜是一种新型的小视场探测器，配合高分辨率成像相机，其灵敏度和分辨率提高了数百倍，工作能量范围在0.2keV至3.5keV。HEAO-3 在本刊今年第四期已做过介绍。

小型天文卫星3 号

小型天文卫星3 号（SAS-3）也被称为探险者53 号，是美国宇航局的一颗X 射线天文卫星。1975年5 月7 日，SAS-3 从圣马可海上平台发射升空。SAS-3 正常在轨运行了近4 年时间，发现了十几个X射线快暴源，根据其数据可确定这些源与中子星双星系统之间存在联系。此外，它还能够为X 射线源提供足够精度的定位，对于寻找光学对应体提供了极大的帮助。

天鹅号与天马号

1979 年2 月21 日，天鹅号X 射线卫星（左图）发射升空，这是日本成功发射的第一颗天文观测卫星，由当时隶属于东京大学的空间与航空科学研究所设计开发，它的主要成果包括发现X 射线暂现源半人马座X-4 和天鹰座X-1；对包括船帆座X-1 在内的多颗X 射线脉冲星进行了长期监测等。

1983 年2 月20 日，日本第二颗X 射线卫星“天马号”（右图）成功发射，在一年半的工作时间里，“天马号”在X 射线双星及活动星系核中发现铁元素发射线；在一次X 射线暴光谱中发现了位于4keV 处的吸收线等。

欧洲X 射线天文卫星

1983 年5 月26 日，欧空局的欧洲X 射线天文卫星（EXOSAT）被发射到一个偏心率达到0.93 的轨道，近地点347 公里、远地点191709 公里、倾角72.5 度。之所以选择这一轨道，是为了最大限度地利用月球进行月掩X 射线源观测，以更精确地确定它的位置。EXOSAT 公转一周需要90.6 小时，其中76个小时可对同一目标进行连续观测。EXOSAT 也是第一批携带计算机的卫星之一，在其3 年的观测时间内对超新星遗迹、活动星系核、X 射线双星等进行了超过1800 次观测。最大发现是在X 射线双星内发现的准周期震荡现象，以及活动星系核快速变化的X 射线辐射，这被认为是活动星系核内存在超大质量黑洞的主要证据。

石榴号

“石榴号”（左图）的全称为国际天体物理天文台（GRANAT），是苏联与法国、丹麦、保加利亚合作开发的空间天文台，于1989 年12 月1 日由质子号火箭（右图）送入太空。与EXOSAT 类似，“石榴号”也被放置在一个高偏心率轨道，近地点1760 公里、远地点202480 公里、倾角51.9 度、公转周期98 小时。整个卫星高6.5 米、长8.5 米，重达4.4 吨，其中科学仪器2.3 吨。利用其携带的7 套科学仪器，在其运行9 年期间发现了银河系内第一个微类星体；发现了20 个黑洞和中子星候选体；对银河系中心进行了深度成像观测，累积曝光时间达到58 天。由于“石榴号”工作期间正赶上东欧剧变，后续运行工作主要由法国航天局负责。