■王春艷、陳鋼、王福和/文
■原標(biāo)題《X射線在天體化學(xué)中的應(yīng)用》
天體化學(xué)是介于天文學(xué)和數(shù)學(xué)之間的一門交叉學(xué)科，是20世紀(jì)自然科學(xué)發(fā)展的一個(gè)非常重要的分支。
現(xiàn)代天體化學(xué)的重要探測(cè)方法之一就是利用射電技術(shù)設(shè)備接收和研究宇宙天體的輻射。 這種輻射按波長(zhǎng)可分為幾個(gè)波段，如無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和伽馬射線。 根據(jù)觀測(cè)到的電磁波波段，可分為光學(xué)天文學(xué)、射電天文學(xué)和空間天文學(xué)。
傳統(tǒng)的觀測(cè)是在地面上借助天文儀器進(jìn)行的，由于射線在穿過(guò)大氣層時(shí)被吸收，所以采用各種型號(hào)的飛行器在大氣層上層或大氣層內(nèi)部空間進(jìn)行探測(cè)。 20世紀(jì)下半葉以來(lái)，觀測(cè)范圍不斷擴(kuò)大，從可見(jiàn)光波段擴(kuò)展到整個(gè)電磁波波段，空間天文學(xué)由此誕生。
目前，天文探測(cè)器可分為γ射線探測(cè)器、X射線探測(cè)器、紫外線探測(cè)器和近紅外探測(cè)器。 中國(guó)將于2016年底發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）（編者按：HXMT將于2017年發(fā)射），其任務(wù)是定位和探測(cè)中子等發(fā)射X射線的高能天體恒星與黑洞射線的高能化學(xué)過(guò)程，將是中國(guó)天文衛(wèi)星的零突破。 值此HXMT上線之際，本文將介紹最初的X射線檢測(cè)，梳理已經(jīng)上線的X射線探測(cè)器，最后給出X射線檢測(cè)的含義。
1個(gè)
早期 X 射線檢測(cè)
宇宙中的天體無(wú)時(shí)無(wú)刻不在放射著X射線。 天體中的 X 射線是從數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)千萬(wàn)度（絕對(duì)濕度）的熱等離子體熱發(fā)射的，或者是通過(guò)涉及高能電子的相對(duì)論過(guò)程發(fā)射的。 非熱發(fā)射。 為此，X射線天文學(xué)的觀測(cè)對(duì)象從低溫天體和恒星（包括恒星中發(fā)生的高能化學(xué)現(xiàn)象：超新星爆燃、中子星和黑洞吸積物質(zhì)）到宇宙學(xué)距離的類星.
最初的 X 射線探測(cè)始于德國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室。 1929年，法國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出在高空探測(cè)紫外線和X射線。 1948年，湖人號(hào)在新法蘭西的白沙魚(yú)雷試驗(yàn)場(chǎng)下水，首次探測(cè)到太陽(yáng)輻射的X射線，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)是X射線的強(qiáng)源。 X 射線來(lái)自太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)耀斑，這些區(qū)域的溫度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)度。 這種輻射很難在太陽(yáng)系外探測(cè)到。 隨后，印度空軍研究實(shí)驗(yàn)室多次進(jìn)行星體探測(cè)以尋找太空中的X射線源，但均以失敗告終。
英國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室探測(cè)到太陽(yáng)以外的X射線源后，人們開(kāi)始懷疑太陽(yáng)系外是否存在X射線源。 20世紀(jì)60年代，宇宙輻射X射線的探測(cè)有了新的發(fā)展。 當(dāng)時(shí)，英國(guó)天體化學(xué)家賈科尼（R.）（見(jiàn)圖1）和英國(guó)天體化學(xué)家羅西（B. Rossi）（見(jiàn)圖2）認(rèn)為天體中可能存在X射線源。 從那時(shí)起，兩人合作設(shè)計(jì)了一種新型 X 射線望遠(yuǎn)鏡，它借助錐形曲面鏡收集輻射。 因此，賈科尼設(shè)立了另一個(gè)洛杉磯實(shí)驗(yàn)，以證明月球反射的太陽(yáng)輻射中存在 X 射線。 而且尼克斯在高空飛行十公里的時(shí)候，雖然沒(méi)有探測(cè)到月球反射的太陽(yáng)X射線，但是卻測(cè)到了來(lái)自其他地方的強(qiáng)烈X射線，從馬刺號(hào)的圓形飛行軌跡就可以看出X射線的背景輻射滲透整個(gè)空間。
圖 1 賈科尼 (, 1931-)
圖2 羅西（，1905-1993）
這一意外發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了X射線天文學(xué)的形成和發(fā)展天體物理是什么，使人們能夠借助標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)方法進(jìn)一步識(shí)別和確定X射線源。 他們確定，首次發(fā)現(xiàn)的X射線源是一顆遠(yuǎn)至人馬座的紫外星，命名為X-1星座（其中X為X射線，1為序號(hào)）。 很快，又發(fā)現(xiàn)了其他X射線源，比較重要的有天鵝座X-1、X-2和X-3。 大多數(shù)這些新發(fā)現(xiàn)的 X 射線源都是雙星，通常是一顆恒星圍繞另一顆非常致密的恒星——中子星（甚至黑洞）運(yùn)行。 來(lái)自外層恒星的二氧化碳流向密度更大的恒星，并被強(qiáng)大的引力場(chǎng)加速到極高的速率。 二氧化碳原子相互碰撞，但被中子星的表面磁場(chǎng)減慢速度，釋放出強(qiáng)大的 X 射線。 這一發(fā)現(xiàn)為賈科尼贏得了 2002 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，并開(kāi)創(chuàng)了宇宙 X 射線天文學(xué)。
2個(gè)
成功發(fā)射X射線天文衛(wèi)星
X射線天文學(xué)的誕生極大地促進(jìn)了空間天文學(xué)的發(fā)展，但由于馬刺的探測(cè)時(shí)間緊迫，這些初期的研究很困難。 Laker 技術(shù)的進(jìn)步使得月球大氣層以外的研究領(lǐng)域得以發(fā)展，即利用衛(wèi)星進(jìn)行宇宙探測(cè)。
發(fā)射的第一顆探測(cè)宇宙 X 射線的衛(wèi)星是 UHURU（UHURU（斯瓦希里語(yǔ)，斯瓦希里語(yǔ)中“自由”的意思）），是英國(guó)航天局一系列大型天文衛(wèi)星中的第一顆。這顆 X 射線探測(cè)衛(wèi)星是從馬來(lái)西亞某基地，1970年12月12日進(jìn)入軌道，最低點(diǎn)距地面560公里，近地點(diǎn)520公里，軌道角3度，每96分鐘巡天一次，之所以命名為“烏呼魯”，是因?yàn)榘l(fā)射當(dāng)天恰逢馬來(lái)西亞獨(dú)立7周年，科技工作者利用“烏呼魯”探測(cè)了包括X射線雙星、星系團(tuán)、超新星遺跡等在內(nèi)的339個(gè)X射線源，并探測(cè)到X射線輻射彌散在致密X射線雙星和星團(tuán)，以及黑洞候選天鵝座X-1?！盀鹾趑敗敝?，一些國(guó)家投入大量資金改進(jìn)X射線探測(cè)裝置，發(fā)射X射線天文衛(wèi)星。
“烏呼魯”的檢測(cè)準(zhǔn)確率低于湖人隊(duì)，甚至高出十倍。 Uhuru 上線一周后，收到的數(shù)據(jù)量低于之前所有檢測(cè)數(shù)據(jù)的總和。
賈科尼還研制了一種更精確的X射線探測(cè)器，稱為HEAO-II天體物理是什么，于1978年11月13日發(fā)射升空，發(fā)射成功后更名為“愛(ài)因斯坦X射線”，以紀(jì)念愛(ài)因斯坦誕辰100周年。 射線望遠(yuǎn)鏡”。它是第一臺(tái)聚焦X射線望遠(yuǎn)鏡。前幾年的X射線衛(wèi)星帶回了一些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，“愛(ài)因斯坦天文臺(tái)”裝載了第一臺(tái)探測(cè)X射線的成像裝置。它的靈敏度和幀率極高，HEAO-II的發(fā)射目標(biāo)是尋找新的X射線源和定位跟蹤已知的X射線源（如天鵝座X-1），并在不久后帶回了許多重要的新發(fā)現(xiàn)發(fā)射，如許多活躍的恒星（包括類星）是強(qiáng)大的X射線發(fā)射器，星團(tuán)包含大量低溫（千萬(wàn)級(jí)絕對(duì)濕度）等離子體等，因?yàn)榧夹g(shù)水平已經(jīng)大大提高，還記錄到比X-1星座更高的X射線振幅，發(fā)出強(qiáng)百萬(wàn)倍的信號(hào)。“愛(ài)因斯坦X射線望遠(yuǎn)鏡”的新發(fā)現(xiàn)，使科學(xué)家們能夠研究X -射線雙星更詳細(xì)，其中一些是黑洞的候選者。 科學(xué)家們還分析了超新星的遺跡，特別是星團(tuán)中恒星間大氣的X射線輻射，這有助于科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中存在暗物質(zhì)，并確定宇宙中暗物質(zhì)的含量。
愛(ài)因斯坦 X 射線望遠(yuǎn)鏡
1976年，賈科尼還研制出越來(lái)越先進(jìn)的X射線探測(cè)器，但體積龐大，并于1999年7月23日發(fā)射升空。該探測(cè)器最初命名為“先進(jìn)X射線天體化學(xué)設(shè)施（AXAF）”（見(jiàn)圖4） ). 發(fā)射前一年，為紀(jì)念著名化學(xué)家錢德拉塞卡（S.）而發(fā)射（見(jiàn)圖5），并更名為“錢德拉”（ ）。
圖 4 錢德拉
圖 5 錢德拉塞卡 (, 1910-1995)
俄英天體化學(xué)家錢德拉塞卡因其在白矮星方面的工作而獲得 1983 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其中包括著名的錢德拉塞卡極限。 AXAF的探測(cè)任務(wù)是“觀測(cè)宇宙中溫度高達(dá)百萬(wàn)度、運(yùn)動(dòng)速度接近光速的區(qū)域天體的高能活動(dòng)，大到太陽(yáng)系的彗星到遙遠(yuǎn)的星星般的星星?！?span style="display:none">XPd物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（如哈勃望遠(yuǎn)鏡）相比，“錢德拉”的成像性能和光譜分析性能在當(dāng)時(shí)是最高質(zhì)量的，但可以進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤觀測(cè)，發(fā)回的圖像有很多新的物質(zhì)的組成、星系爆炸的成因等發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)和演化的研究。 在帶回的第一批照片中，有一張非常清晰的超新星殘骸仙后座A的圖像，讓天文學(xué)家第一次看到超新星殘骸中心的脈沖星，解決了很多人對(duì)超新星爆炸的疑問(wèn).
賈科尼的發(fā)展工作極大地提高了觀測(cè)水平，他們的研究工作極大地改變了目前對(duì)宇宙的看法。 20世紀(jì)中葉，宇宙穩(wěn)定不變的觀點(diǎn)占據(jù)了主流地位，星辰之間處于平衡狀態(tài)，宇宙的演化是順暢的。 明天的觀測(cè)表明，從X射線天文學(xué)的發(fā)展來(lái)看，宇宙中釋放出大量的能量，很多恒星比月球小很多，但它們的質(zhì)量卻大得驚人，也就是說(shuō)，這么小的星球大得驚人。 對(duì)這類天體及其演化過(guò)程的研究大多得益于X射線天文學(xué)的研究。
迄今為止，世界上已經(jīng)成功發(fā)射了多顆X射線天文衛(wèi)星，我們將成功發(fā)射的X射線天文衛(wèi)星列于表1。
1970年代，韓國(guó)發(fā)射了8臺(tái)X射線探測(cè)器，其中包括“烏呼魯”和“愛(ài)因斯坦天文臺(tái)”兩個(gè)標(biāo)志性天文臺(tái)； 日本還成功發(fā)射了三顆X射線天文衛(wèi)星； 70年代末，英國(guó)也成功發(fā)射了第一顆X射線天文衛(wèi)星“天鵝號(hào)”。
在 20 世紀(jì) 80 年代，一些國(guó)家的科學(xué)經(jīng)費(fèi)急劇增加，以至于在 1980 年代只發(fā)射了三顆 X 射線衛(wèi)星。 在 1970 年代占主導(dǎo)地位的英國(guó)沒(méi)有發(fā)射任何導(dǎo)彈。 原因是德國(guó)的資金主要用于大型天文臺(tái)項(xiàng)目，例如探測(cè)可見(jiàn)光的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和探測(cè)伽馬射線的康普頓伽馬射線天文臺(tái)。 、探測(cè)X射線的錢拉德X射線天文臺(tái)、探測(cè)紅外光譜的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，都是1990年代后發(fā)射的。 美國(guó)雖然在1983年5月26日發(fā)射了主力意大利航天局（簡(jiǎn)稱歐空局），但其X射線衛(wèi)星的單次發(fā)射也以阿里爾六號(hào)告終。 其余兩顆由美國(guó)發(fā)射，分別是1983年2月20日發(fā)射的天馬（Tenma）和1987年2月5日發(fā)射的銀河（Ginga）。雖然80年代發(fā)射的X射線衛(wèi)星很少，但進(jìn)步很大. 他們的探測(cè)活動(dòng)極大地加速了X射線天文學(xué)頻域分析和譜分析的研究，推動(dòng)了X射線天文學(xué)的進(jìn)步。
20世紀(jì)90年代，只有英國(guó)獨(dú)自發(fā)射了X射線衛(wèi)星。 除了AXAF，日本還推出了漫射X射線光譜儀（DXS）和羅西X射線定時(shí)探測(cè)器（RXTE）。 此外，還有聯(lián)合研制的倫琴X射線天文衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱ROSAT，參與國(guó)為日本、英國(guó)和愛(ài)爾蘭；見(jiàn)圖6）、“明日香”（參與國(guó)美國(guó)和加拿大）和（參與國(guó)捷克共和國(guó)和斯洛伐克），以及歐空局研制的“牛頓”X射線天文臺(tái)衛(wèi)星。
圖6 倫琴X射線天文衛(wèi)星
倫琴X射線天文衛(wèi)星（ROSAT）是HEAO-II的改進(jìn)型，搭載了美國(guó)研制的比HEAO-II的X射線成像望遠(yuǎn)鏡更大的X射線成像望遠(yuǎn)鏡（XRT）。 三臺(tái)聚焦裝置中有兩臺(tái)俄羅斯研制的位置敏感逆計(jì)數(shù)器（PSPC）和一臺(tái)日本研制的高幀率成像（HRT）裝置，以及一臺(tái)美國(guó)研制的紫外望遠(yuǎn)鏡（由法國(guó)航天局發(fā)射） 1990 年 6 月 1 日）。 ROSAT的探測(cè)任務(wù)是全天掃描探測(cè)和選定X射線源的局部探測(cè)。 選定的目標(biāo)由三個(gè)國(guó)家共同決定。 最后對(duì)選定的目標(biāo)源進(jìn)行位置檢測(cè)。 除了發(fā)現(xiàn)賈科尼還在尋找地球反射的X射線外，還發(fā)現(xiàn)溫度極低的彗星也會(huì)輻射X射線； 詳細(xì)形態(tài)、暗中子星檢測(cè)、中子星脈動(dòng)周期等。
進(jìn)入21世紀(jì)，俄羅斯成為發(fā)射X射線衛(wèi)星的主力軍。 一是與法國(guó)聯(lián)合研制的“朱雀號(hào)”（Astro-E2）于2005年7月10日發(fā)射升空。2016年2月12日，第六顆X射線衛(wèi)星ASTRO-H升空（見(jiàn)圖7）。 ASTRO-H由美國(guó)和英國(guó)的多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)發(fā)。 它配備了兩種采用尖端技術(shù)開(kāi)發(fā)的X射線望遠(yuǎn)鏡和四臺(tái)用于接收X射線的測(cè)量?jī)x器。 安裝的軟X射線光譜儀可以分辨數(shù)萬(wàn)計(jì)的X射線“顏色”，還可以拍攝高清圖片，可以大大提高對(duì)X射線物體的認(rèn)識(shí)。 衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)有利于了解宇宙的演化過(guò)程，比如研究巨大的黑洞是如何生長(zhǎng)的，驗(yàn)證超高密度和超高磁場(chǎng)下的化學(xué)現(xiàn)象等極限態(tài)。 但不幸的是，衛(wèi)星與地面失去了聯(lián)系。 盡管英國(guó)仍然沒(méi)有放棄嘗試恢復(fù)與衛(wèi)星的通信，但并未成功。 此后只能轉(zhuǎn)而調(diào)查車禍原因。
圖 7 ASTRO-H
3個(gè)
X射線檢測(cè)的意義
從以往的X射線天文衛(wèi)星和傳回的數(shù)據(jù)來(lái)看，X射線天文學(xué)已經(jīng)逐漸走向破譯低溫高能天體和產(chǎn)生一些低溫高能化學(xué)現(xiàn)象，而新興的X射線天文學(xué)逐漸成熟。
20世紀(jì)60年代，太空望遠(yuǎn)鏡即天文衛(wèi)星的發(fā)展，使天文學(xué)從射電天文學(xué)轉(zhuǎn)向空間天文學(xué)。 明天，天文學(xué)已經(jīng)進(jìn)入空間天文學(xué)的多波段天文學(xué)時(shí)代，而X射線天文學(xué)是全波段天文學(xué)的重要組成部分，因此天體X射線輻射的探測(cè)意義重大。
X射線天文學(xué)的核心問(wèn)題是引起源X射線輻射的化學(xué)過(guò)程。 科學(xué)家研究這一化學(xué)過(guò)程以破譯恒星的演化和宇宙的起源。 因此，目前的X射線天文觀測(cè)包括新X射線源的探測(cè)、源位置的確定、源大小和結(jié)構(gòu)的觀測(cè)、離散源和漫射背景輻射的探測(cè)以及X射線源變化的研究。 通過(guò)探測(cè)天體中的低溫高能恒星和恒星演化的最終產(chǎn)物、白矮星、中子星、黑洞等，進(jìn)而對(duì)這些來(lái)源的位置進(jìn)行研究，如探測(cè)極端化學(xué)致密星的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)等過(guò)程，通過(guò)這項(xiàng)研究進(jìn)一步破譯恒星演化、宇宙起源等問(wèn)題。
最后，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高能化學(xué)研究所研制的新型X射線天文衛(wèi)星正式發(fā)射升空。 作者預(yù)祝發(fā)射成功，科學(xué)檢測(cè)工作圓滿完成，以促進(jìn)我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
資料來(lái)源：《現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識(shí)》2016,28(6):60-64。