图解空间望远镜发展史

文 / 叶楠

X射线空间望远镜（下）

伦琴X射线天文台

1990年6月1日，以发现X射线的德国物理学家威廉·伦琴命名的伦琴X射线天文台（ROSAT）（下左图）在卡纳维拉尔角发射升空，这是一颗由德国领导、英国与美国合作的X射线天文卫星项目。ROSAT携带的设备可提供高分辨率、低噪音的软X射线成像观测，除了X射线波段，它还可以在极紫外波段进行工作。卫星设计寿命18个月，实际运行超过8年时间。任务最终公布的X射线巡天星表超过15万个目标天体，极紫外巡天星表包括479个目标天体，还发现了10万个偶遇X射线源、彗星发出的X射线，观测到舒梅克-列维9号彗星与木星相撞产生的X射线等。下右图是ROSAT拍摄的位于北银极附近的后发座星系团，距离我们约3.26亿光年，星系团核心具有更强的X射线辐射。

飞鸟号

“飞鸟号”是继“天鹅号”“天马号”后日本第三颗成功发射的X射线天文卫星，于1993年2月20日从日本鹿儿岛航天中心发射升空，进入500～600公里高的近地轨道。“飞鸟号”是第一个集高质量成像能力、宽频段、高光谱分辨率及大面积有效视场于一身的天文卫星，也是首次将CCD用于X射线天文学观测。“飞鸟号”的主要科学目标是等离子体的X射线光谱，尤其是对发射线和吸收线边缘离散特征的分析。基于其优秀的性能，“飞鸟号”得到了第一个宽频段高分辨率类星体光谱，并对构成宇宙X射线背景的部分辐射源进行了证认。2000年7月，“飞鸟号”的姿态在一次地磁风暴中失去控制，并于第二年再入大气层。它一共进行了3000多次观测，其数据被引用发表的论文数量超过1000篇。

罗西X射线时变探测器

罗西X射线时变探测器（RXTE）以对粒子物理学及宇宙线研究做出杰出贡献的意大利实验物理学家布鲁诺·罗西的名字命名，其主要科学目标是对宇宙X射线源做时域观测，观察其X射线辐射随时间变化的关系。RXTE发射于1995年12月30日，一直运行至2012年1月3日，并于2018年4月再入大气层。16年间获得的数据被近2000篇论文引用，其中比较重要的发现包括：验证广义相对论预测的坐标系拖曳效应；定位M82 X-1黑洞并推算已知最小黑洞的大小；证明银河系背景X射线辐射来自于尚未发现的白矮星和其他恒星的日冕。

贝波X射线天文卫星

以意大利物理学家朱塞佩·贝波·奥基亚利尼的名字命名的贝波X射线天文卫星（贝波SAX）是一颗意大利与荷兰合作的X射线卫星，于1996年4月30日发射，轨道高度接近600公里、倾角3度、周期96.4分钟。它是第一个能够在能量范围0.1～200keV范围内，同一时间进行多波段观测的X射线卫星，同时还具有良好的时间分辨率和空间分辨率。它还可以在2～30keV范围内以5角分的分辨率进行巡天观测，探测暂现X射线源现象。“贝波SAX”于2003年4月29日完成使命坠入太平洋，它最具突破性的工作是探测并定位伽马射线暴。

钱德拉X射线天文台

钱德拉X射线天文台（下左图）与哈勃空间望远镜、康普顿伽马射线天文台、斯皮策空间望远镜同属于美国大型轨道天文台计划，并称为有史以来最伟大的四台空间望远镜，它的名字来自于1983年诺贝尔物理学奖获得者、美籍印度裔天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡。“钱德拉”于1999年7月23日由哥伦比亚号航天飞机送入太空，运行在远地点133000公里、近地点16000公里、倾角76.7度、周期63.5小时的椭圆形轨道，它最初的预期寿命为5年，之后几经延长，至今依旧能够健康运转。

20年间，“钱德拉”围绕地球转了2700多圈、飞行了240亿公里，其科学成果不胜枚举，包括在星暴星系M82中发现了中等质量黑洞的证据。下右图是“钱德拉”于2015年拍摄的圆规座X-1，是迄今为止观测到的最大最亮的X射线环，天文学家认为这是2013年底圆规座X-1发生X射线暴经过尘埃云的反射产生的光环。

XMM-牛顿望远镜

在“钱德拉”升空后不到半年，欧空局的XMM-牛顿望远镜（左图）于1999年12月10日搭乘阿里安-5火箭进入太空。升空前，它的名字是多镜面X射线空间望远镜，XMM是X射线多镜面的意思。在它升空三个月以后，将牛顿的名字加入进来。欧空局前科学主任邦纳对此的解释是“XMM-牛顿”是一项光谱学任务，它的一个重要目标之一就是定位大量的黑洞候选体，而牛顿发明了光谱学，发现了万有引力定律。“XMM-牛顿”轨道的近地点约为7400公里、远地点113800公里、倾角38.9度、周期48小时。作为“钱德拉”在太空中的同伴，“XMM-牛顿”也经过数次任务延期，时至今日已正常运行超过20年。

同样20年的时间，“XMM-牛顿”也取得了不逊于“钱德拉”的观测成果。截止2018年，引用“XMM-牛顿”数据的论文数量超过5000篇。2XMM J083026+524133是2008年发现的当时质量最大的星系团，相当于银河系质量的1000倍，距离我们约77亿光年，被称为怪兽星系团。右上图是“XMM-牛顿”拍摄其X波段成像，在这个距离上的大质量星系团是十分罕见的，这一发现对暗能量的存在提供了支持。

右下图是“钱德拉”与“XMM-牛顿”合作发现的一个距离地球60亿光年的超大质量黑洞自旋的证据。这是宇宙中一个非常巧合的排列，利用中心巨大椭圆星系造成的引力透镜现象我们看到了它背后的黑洞由于快速自转，其周围气体产生的极其明亮的类星体现象。

高能暂现源探测器2号

高能暂现源探测器2号（HETE-2）（左图）也被称为探索者79号，是美国联合日本、法国共同开发的一颗多波段观测卫星。在此之前，HETE-1于1996年11月4日发射入轨后，由于释放载荷的爆炸螺栓失效导致任务失败。HETE-2发射于2000年10月9日，轨道高度约550公里、倾角2度、周期95.7分钟，它携带有紫外、X射线及伽马射线监测仪器，主要使命是定位伽马射线暴，观测精度可以达到10角秒。整个任务期间HETE-2公布了80多次伽马射线暴预警。2005年7月9日，HETE-2发现了一次伽马射线暴GRB 050709，在0.5秒时间内释放出巨大的能量，天文学家认为GRB 050709可能是由两颗中子星，或其中有一个是黑洞，在相互碰撞并合情况下产生的，右图为艺术家对此次事件的渲染图。

朱雀号与瞳号

进入21世纪后，日本也发射了多颗X射线探测卫星，但是其过程却颇为曲折。2000年，ASTRO-E发射失败，它的替代品“朱雀号”（下左图）发射于2005年7月10日，是日本宇宙航空研究开发机构与美国宇航局联合开发的用于探测高能X射线源的卫星。但入轨仅几周后，由于冷却系统故障导致所有液氦全部流失，致使X射线光谱仪不得不关闭。幸运的是，X射线成像光谱仪和硬X射线探测器没有受到影响，一直稳定运行至2015年。

2016年2月17日，接替“朱雀号”的硬X射线卫星“瞳号”（下右图）发射升空，但仅仅一个多月后，3月26日美国联合太空行动中心发现该卫星分裂成5块，其轨道也突然改变。最终结论是因为姿态控制系统故障导致卫星失控，在高速自旋过程中部分元件断裂，日本宇宙航空研究开发机构不得不放弃“瞳号”。

核分光望远镜阵

核分光望远镜阵（NuSTAR）（下左图）是美国小型探测卫星计划的第11项任务，采用可伸缩桅杆式设计，于2012年6月13日发射，轨道高度约600公里、倾角6度、周期96.8分钟。主要科学目标是对超大质量黑洞和活动星系中高能粒子加速过程以及超新星过程中的元素合成问题进行研究。迄今为止，NuSTAR已经运行了8年时间。下右图是NuSTAR首次用高能X射线观测银河系中心超大质量黑洞的照片，图中白色亮点为距离黑洞最近且温度最高的物质，粉红色是被加热的气体。

慧眼号

“慧眼号”的全称为硬X射线调制望远镜，是中国研制的第一颗X射线天文卫星。它于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心由长征四号乙火箭发射至预定轨道，发射质量2800千克，轨道高度约550公里、倾角43度、周期95.5分钟。“慧眼号”共携带有3个科学载荷，可探测的能量范围为1～250keV，主要目标是对黑洞、中子星、活动星系核及其他X射线和伽马射线辐射进行探测。