[科普中国]-X射线天文卫星

简介

第一颗X射线天文卫星是1970年12月12日美国在肯尼亚发射的乌呼鲁卫星，该卫星原名“探险者42号”，又名“小型天文卫星1号”，因发射当天正值肯尼亚独立7周年纪念日而得名（兹瓦西里语意为“自由”）。卫星上装有两个相互反向的X射线探测器，利用卫星的旋转进行了系统的X射线巡天，确定了约350个X射线源，发现了许多银河系中的X射线双星、来自遥远星系团的X射线，以及第一个黑洞候选天体——天鹅座X-1。乌呼鲁卫星的观测取得了极大的成功，被认为是X射线天文学发展史上的一座里程碑。

发展除了乌呼鲁卫星以外，1970年代至1980年代，各国还相继发射了一系列X射线天文卫星，包括英国的羚羊5、荷兰天文卫星、美国的小型天文卫星3号、高能天文台1号（1977年）和高能天文台2号(又名“爱因斯坦卫星”)、欧洲的X射线天文卫星（）、日本的银河卫星等，其中1978年发射的爱因斯坦卫星首次采用了大型掠射式X射线望远镜，能够对X射线源进行成像，是1970年代取得成果最多的X射线卫星。

20世纪90年代，意大利和荷兰共同研制的BeppoSAX卫星发现了伽玛射线暴的X射线余辉。德国、美国、英国联合研制的伦琴卫星（Roentgensatellit，简称ROSAT），这颗以发现X射线的德国科学家伦琴（W. Roentgen）的名字命名的天文卫星，从1990年6月投入使用以来，已经完成人类历史上首次对整个软X射线天空的成像普查，以及对许多天体的纵深、定位观测，获得众多天文现象的丰富资料。1首次在软X射线波段进行了巡天观测，在9年时间里新发现了7万多个X射线源，使X射线源的总数达到了12万个。

1993年日本发射的ASCA卫星则首先将设备用于X射线成像。美国的罗西X射线时变探测器虽然不能成像，但是能够探测X射线源的快速光变。1999年，两个重要的X射线天文卫星先后发射升空——美国的钱德拉X射线天文台和欧洲的XMM-牛顿卫星。前者具有极高的空间分辨率（小于1角秒）和较宽的能段（0.1-1keV），后者则具有非常高的谱分辨率。它们是21世纪初X射线天文学主要的观测设备，取得了一大批重要的研究成果。

除此之外，1990年代升空的X射线望远镜还有俄罗斯发射的探测高能X射线的伽马1卫星、日本发射的用于观测太阳耀斑的阳光卫星等。

截止到2006年，正在工作的X射线天文卫星有欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星。

此外，欧洲的国际伽玛射线天体物理实验室和美国的雨燕卫星也安装有X射线观测设备。计划中的下一代X射线天文卫星有美国的、欧洲的等。

2017年6月15日11时00分，中国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”，这是中国首颗大型X射线天文卫星。2

欧洲X射线天文卫星( EXOSAT)科研目标（1）X射线源的精确定位，成像望远镜（能量范围0.04-2KeV），定位精度高于10''，中能（ME）实验（1.5-50KeV）的月掩食技术定位精度为2''。

（2）宽波段能谱，能量0.04-50KeV。

（3）弥漫与延伸X射线源成像。

（4）X射线源的时间特性，时标小至10us，长至几天。3

基本结构EXOSAT的探测器由三部分组成，一个大面积中能正比计数器阵(ME) ，两套低能成像望远镜系统( LE1和LE2) 和一个气体闪烁正比计数器(GSPC)。卫星的轨道偏心率很大，周期为4d，其中姿态和轨道控制系统(AOCS)可修正飞行轨道，使得最多的X 射线源形成月球或地球掩食并获得最佳效果。这种掩食技术是第一次在EXOSAT 的ME实验中运用。3

EXOSAT的三套实验都安装在一个三轴稳定的平台上，由低能望远镜上的导星镜确定的光轴准直，EXOSAT的高偏心轨道适合于地面控制站的连续观测，同时也增加了月掩食的数量。3

姿态和轨道控制系统(AOCS)卫星的姿态和轨道控制系统指向给定目标的误差在90''以内，短期内能稳定在几角秒以内。在惯性空间姿态重复精度高于5''。为使月掩食更有效，数目更多，卫星具有轨道改正功能，可以很快地从一个观测目标转换到下一个( 小于2h )。在一个轨道周期内可观测几个不同的目标。目标间的转换操作一般要绕两个或三个轴旋转。3

卫星光轴指向并不是任意的，常有如下约束：首先是太阳不得在望远镜光轴的 60°区域内；其次，当导星镜在地球的 15°范围内时，其星指向方式不工作。同样月球在光轴方向也有15°的盲区。月掩食和地球掩食期间，导星镜前面插入滤光片即可直接观测地球和月球。此时LE望远镜关闭，太阳的 60°限制可放松至 17°。实际上ME和GSPC观测，太阳相对于望远镜光轴方向一般保持大于90°，以避免来自太阳的任何形式的干扰。3

观测操作方式有两个基本的操作方式：（1）标准方式。这是基本的观测方式，观测台在此方式下可连续72小时指向约束区以外的任意天空位置；（2）掩食方式。此方式第一次应用于中能实验，当X射线源强度大于10millicrabs时，定位精度为几角秒，月掩食、地球掩食均可运用。对月掩食来说，AOCS改变卫星在轨道近地点的运行速度，使其视场能落在月掩食的区域内。如果让卫星绕地球自由飞行，源的月掩食可能性很小。AOCS发射的推动脉冲在范围0.03-10m/s内改变卫星的速度，控制卫星的运动，使月球可掩食希望掩食的X射线源，或者说使X 射线源落在掩食带内。一般地说，最适合的掩食角为45°。3

EXOSAT的轨道可形成月掩食和地球掩食的区域占整个天球的即20% 和1%。另外，地球掩食不需要改变卫星的轨道。3