[科普中国]-X射线望远镜

背景简介

除发射可见光外 ，宇宙中还存在着很多能发射高能射线的天体，如恒星、黑洞周围空间和星云等。通过对这些天体的研究可以了解恒星的形成、黑洞现象和恒星爆炸后所引起的气体膨胀等现象。高能射线如：极紫外、软X射线、硬X射线和γ射线几乎全被大气层吸收而不能到达地面，要实现对这些高能射线的观察只能使用太空望远镜。由于这些高能射线与物质相互作用和可见光与物质相互作用有很大差别 ，所以不能使用在可见光波段发展成熟的光学技术 ，只能采用新的成像技术。20世纪以来，随着火箭、卫星技术的发展和薄膜技术、光学加工与检测技术的进步，人们已将对天体的探测扩展到整个电磁辐射，人们逐步开始用极紫外、红外、X射线、γ射线和射电望远镜来观测天体，观测的能量最高可达几十GeV。23

X射线辐射的波段范围是0.01-10nm，其中波长较短的（能量较高）的称为硬X射线，波长较长的（能量较低）称为软X射线。由于天体的X射线是无法到达地面的，因此在人造地球卫星上天以后，天文学家才得到重要的观测成果，X射线天文学才发展起来。

1962年6月．美国麻省理工学院的研究小组第一次发现来自天蝎座方向的强大X射线源．这使X射线天文学进入了较快的发展阶段。后来随着高能天文台1号、2号两颗卫星发射成功，首次进行了X射线波段的巡天观测，使X射线的观测研究向的迈进了一大步．形成对X射线观测的热潮。4

分类在不能用直接成像望远镜获得X射线天体的成像观察时，人们研究了非直接成像望远镜的技术，主要有准直型望远镜和编码孔径成像技术。

根据成像方式的不同，X射线望远镜分为非成像望远镜和成像望远镜两类。准直型望远镜是技术最简单的一种非直接成像X射线望远镜，编码孔径望远镜是使用比较广泛的一种非直接成像望远镜。在编码孔径技术中，由于编码方式和码盘的大小可根据观测能量范围的大小而改变，所以得到了广泛的应用。编码孔径望远镜也是最早用于X射线天文观测的X射线望远镜。根据成像光学系统的不同，X射线直接成像望远镜分为正入射周期多层膜望远镜、掠入射单层膜望远镜和掠入射非周期多层膜望远镜。两类X射线望远镜相比，非直接成像望远镜的最大优点是在技术条件限制不能用直接成像方法获取图像的情况下，观测高能天体，并且方法简单，但成像质量差，分辨率低，获取图像的过程复杂。而直接成像望远镜的图像质量比前者好。但它的成像光谱范围窄，最高能量仅达几十keV，而前者则可以高达几十MeV。2

非直接成像X射线望远镜（1）准直型望远镜2

在硬X射线能段，无法用折射和反射成像，在硬X射线探测器前加准直器构成准直型X射线望远镜，可以实现对准直器视场内局部天区的定向观测，但无法分辨出视场内的源，同时还必须分别对源区和背景天区进行交替观测。在探测器前放置两层或多层平行的吸收栅条可构成直线调制和旋转调制成像望远镜。对扫描观测获得的周期性强度调制信号进行傅里叶分析或相关分析，可以对分离源定位。为了减小影像旁瓣、消除空间对称位置的假象、分辨多个源和实现对点源与弥散源的同时成像，需要多个调制探测系统组成复合型望远镜，限制了这一类扫描调制望远镜在宽视场、高灵敏度和高分辨率成像探测中的应用。我国学者提出用非线性约束迭代直接解成像方程以复还图像的方法，对模拟数据以及空间实测数据的分析结果表明，直接解调方法比传统的成像法灵敏度高、分辨能力好。

在满足一定的灵敏度、角分辨和成像范围要求的条件下，直接调制望远镜的技术简单、重量轻、外形尺寸小，并且对姿态的要求低。用卫星或空间站载调制望远镜易实现高灵敏度高分辨率的硬X射线巡天观测。对不同波段的探测器用同一类型准直器进行强度调制，可以实现观测视场、灵敏度、角分辨等方面互相匹配的多波段空间观测。用不同指向的多个探测器还可以实现对某些高能爆发的定位观测。

（2）编码孔径望远镜25****

编码孔径望远镜是一种非聚焦成像望远镜。编码孔径成像技术是1968年Ables等人首次提出的一种能用于X射线天文成像的方法。它采用的技术是通过编码方法来实现对入射光线的入射方向和强度进行采集，然后再通过探测器收集信息后解码成图像。

1977年8月12日HEAO-1（high astronomy observatories）成功发射，首次完成了较高灵敏度的高银纬X射线巡天观测，测量出3-50keV范围内的X射线的背景辐射等，实现了天文望远镜发展史上的一次飞跃。目前正在使用的编码孔径望远镜的工作波段也已经扩展到600keV（EXITE2）。在未来的天文卫星项目中，人们试图通过改进编码孔径成像技术所需要的一些软硬件条件，如不同的编码方法，探测器的发展和排列方式等，计划提高望远镜的角分辨率和视场，同时把它的能量范围扩展到几十MeV（如INTEGRAL）和几十GeV（如意大利的研究项目MAGIC）。EXIST是美国NASA正在研制的工作能段为（约5-600keV）的宽视场编码孔径望远镜陈列，预计2010年发射，它将首次完成高灵敏度X射线巡天成像观测。

编码孔径技术的特点是在探测器探测信号以前先对入射线的方向进行编码，然后再对探测器探测到的信号通过解码重建图像。即首先采用空间编码进行入射X射线的位置和强度信息的数据积累；然后再把探测器探测到的这些积累数据进行解码，也就是说重建所观测到的那部分的物体，即是一种“两步”过程。编码孔径望远镜具有方法简单，可通过制备尽可能大的编码板来增加视场，用小而密的编码板提高带宽等优点。然而编码孔径技术中的编码板编码技术复杂，需要探测器的角度和空间分辨率都高且体积也大，图像中的每一个像点受到整个探测器内所有探测到的光子的噪声的影响，并且由于反解成像，易出现孪像，有时相同的数据采用不同的算法会得到不同的图像，这时需要根据人们的认识和对图像的比较选取符合实际的图像作为最后的图像。为了获得直接准确的信息，需要研究X射线成像望远镜。

X射线成像望远镜**（1）正入射周期多层膜望远镜26**

]20世纪80年代后，随着软X射线多层膜技术的发展，出现了新一代软X射线多层膜正入射成像望远镜。正入射望远镜的反射光学元件是周期多层膜，其使用范围是在极紫外和软X射线波段，是目前使用的比较成熟的技术。1985年10月，由美国Lockheed Palo Alto实验室和劳伦斯伯克利实验室合作研制的望远镜成功地进行了SiⅦ4.4nm处太阳日冕的观测。该望远镜的反射元件是峰值反射率波长在4.386nm的W/C周期多层膜（dw=0.765nm，dc=1.45nm）。1987年10月由美国马歇尔空间飞行中心和劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制的正入射卡塞格林型Mo/Si多层膜（dMo=3.68nm，dSi=5.52nm）望远镜再次成功地进行了17.1-17.5nm处太阳日冕观测，Mo/Si多层膜反射率为35%，望远镜角分辨率达1.2″。美国LockheedPaloAlto实验室和科罗拉多大学大气与空间物理实验室合作研制了17.1nm焦距为0.75m、分辨率为1.5″的正入射望远镜，其Mo/Si多层膜在17.1nm处具有33%的反射率。该望远镜于1988年3月发射，利用光电探测器记录到了日蚀前太阳软X射线图像。此卫星直至现在还没有上天。美国的Los Alamos和Sandia国家实验室正在研制低能X射线成像传感器阵列（ALEIS），工作波段为17.7-11.3nm。由六个广角多层膜正入射望远镜组成，其聚光面积为25cm2，分辨率为30″。美国斯坦福大学和利弗莫尔国家实验室研制的多光谱望远镜阵列（MSSTA）由17个软X射线多层膜正入射成像望远镜组成。美国自1994年开始研制过渡区和日冕探测者（TRACE）极紫外波段探测器，采用的是卡塞格林型望远镜。目前我国也研制了首台正入射极紫外波段太阳望远镜，其理论角分辨率比正在太空中飞行的TRACE角分辨率高一倍，这个极紫外波段的望远镜将作为太阳望远镜卫星的一部分正在进行立项。

（2）掠入射单层膜望远镜2****

1952年，德国科学家Wolter提出了基于二次旋转对称曲面的掠入射X射线成像系统设计原理。但由于当时工艺水平和制造技术的限制，直到20世纪70年代这种掠入射成像系统才在X射线天文观测和研究中得到广泛应用。受薄膜设计和制备水平的限制，人们首先利用单层金属薄膜全反射原理和Wolter I型结构来设计X射线望远镜。在以后的几十年里，美国，日本，俄国等国家进行了一系列的X射线望远镜的研究项目，已经发射或研究结束的有Einstein，EXOSAT，ROSAT，AXAF（Chandra），JET-X（SRG），ASCA（ASTRO-D），ASTROE，XMM-Newton，正在研究的有XEUS。

Einstein（HEAO-2）卫星是美国NASA发射的，该卫星首次把掠入射X射线直接成像望远镜带入太空，其角分辨率、视场和灵敏度比以前的望远镜都有很大提高，特别是灵敏度较以前的编码孔径望远镜提高了几百倍。这个卫星有一个高分辨率望远镜和能够将焦平面定位在四个探测器之一的焦平面组件，不同的探测器相应的性能有一定差别。ROSAT（the Roentgen Satellite）卫星所载德国研制的X射线望远镜和Einstein的类似，其分辨率和灵敏度有所提高，是当时所能实现的最大的X射线成像望远镜，它首次实现了X射线巡天观测，提供了大量新的科学数据。美国NASA和日本共同研制的AS-CA（The advanced satellite for cosmology and astrophysics，又称ASTRO-D）首次把X射线望远镜的工作波段提高到10keV，并首次使用了紧密嵌套结217实验技术物理构掠入射反射式光学系统和在X射线天文观测中使用CCD探测器，为当时正在研究和将来研究的天文学项目，如XMM，XEUS，提供了技术基础。后来美国发射的AXAF（advanced X-ray astrophysics facility）卫星是美国NASA发射的第三个重大的天文观测卫星，是当时最复杂最精细最大的X射线观测仪，成像质量好。欧洲航天局（ESA）主持研制的XMM-Newton卫星有3个相同的高性能X射线望远镜，每个望远镜由嵌套在一起的58个Wolter I型望远镜组成，有效聚光面积高达4650cm2，每个望远镜焦平面探测器不同。XMMNewton不但能够获得观察天体的图像，而且能谱分辨本领很高。ASTRO-E是日本研究的用于X射线天文研究的卫星。2000年2月，由于火箭发动机故障而没有发射成功。但它的研究基础和技术条件为后续研究工作提供了很好的基础条件。

（3）掠入射非周期多层膜望远镜******2**********

在X射线波段，反射镜全外反射的临界角和入射的光子能量成反比，因此，金属单层膜的全反射临界角随着入射光能量的增加而减小，采用紧密排列内嵌式反射镜结构也仅仅使望远镜的工作波段提高到10keV，即使采用最长焦距的望远镜也不能在10-20keV波段获得一定的反射。在入射光的能量大于10keV的范围内，晶体反射镜[24]可以实现辐射的聚焦，但它的带宽比较窄，视场也特别小。后来人们发现在较大掠入射角时，周期多层膜可以反射X射线，并且带宽比弯晶大10倍，比平晶大100倍。即便这样，其带宽仅达2keV，使周期多层膜反射镜在硬X射线成像望远镜中的应用受到很大限制。

受到中子超反射镜的启发，人们开始研究掠入射非周期多层膜（即X射线超反射镜）对硬X射线的反射。在非周期多层膜中，通过调节每一个膜层对的厚度，在一定的掠入射角度（或入射能量）下，使上面的膜层反射能量比较低的入射线（在大角度时具有较高反射率），下面的膜层反射能量较高的入射线（在小角度时具有较高反射率），从而获得能带较宽且反射率比较平坦的X射线反射镜。

“龙虾眼”型X射线望远镜龙虾是通过在一个眼球上的许多小立方体阵列侧壁的反射来观察物体的。用“龙虾眼”这种成像方式可以建造X射线掠入射成像光学系统。1975年，Schmidt最早提出用两层互相垂直放置的玻璃片构建X射线天文望远镜，1979年，Angel提出用正方形截面的柱体阵列掠入射反射来制作X射线天文望远镜。在这样的望远镜中，每一个小立方柱体都按照同一个球面排列，通过小立方柱体相邻两个面反射的光线将会聚在一个焦球面上。只经过一次反射的光线将会聚成一条线，它在成像系统中形成渐缩的十字线的背景。没有反射进入系统的光线形成弥散的背景。每个小立方柱体的高度将产生一定的散焦，而探测器与每个立方柱体的倾角将限制成像系统的分辨率。这种望远镜的主要优点是观测范围广、灵敏度高、体积小、重量轻。

目前，世界上许多国家都在研究“龙虾眼”型望远镜，其中美国NASA研制的Lobster-ISS计划于2009年成为国际空间站的有效载荷，用于天体0.1-3keV X射线源的监控。27

实际项目日本X射线望远镜ASTRO-H据国外媒体报道，ASTRO-H项目由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）主导，属于一种X射线天文台，旨在搜集了大量关于黑洞周围时空扭曲、星系团等天体数据。ASTRO-H天文观测卫星预计在2月12日发射升空，该项目也得到了美国宇航局、欧洲航天局（ESA）等机构参与。耶鲁大学天文学和物理学高级研究员安德鲁认为，这是大型的X射线天文台，我们现在要弄清楚星系团和超新星遗迹等相关的新信息。

深空观测对象其实有很多，比如黑洞、中子星和星系团等，它们都具备发射X射线和可见光的特点，而X射线的波长要比可见光短数千倍以上。深空X射线的研究最佳方法是使用轨道望远镜，因为陆基望远镜探测X射线时会受到来自地球大气层的干扰。日本科学家认为ASTRO-H天文观测卫星部署在赤道附近的轨道上，运行期为三年。

设备报告四台大型望远镜，即软X射线光谱仪（SXS）、软X射线成像系统（SXI）、硬X射线成像系统（HXI）以及软伽玛射线检测器（SGD）。耶鲁大学物理学和天文学教授梅格厄里认为ASTRO-H天文观测卫星比之前的技术得到了提升，拥有更好的能量分辨率，尤其可以探测深空天体被致密气体包围的现象。软X射线光谱仪的研制团队得到了美国宇航局戈达德太空飞行中心前科学家的支持，该小组致力于研制软X射线光谱仪长达30年之久，能够为现代天文观测卫星提供最先进的软X射线测量。

ASTRO-H的主要研究者来自JAXA和东京大学，美国航空航天局戈达德太空飞行中心也参与该计划。ASTRO-H也是日本JAXA第八颗致力于天文学和天体物理学的观测卫星。8

NASA钱德拉X射线天文台1999年7月23日，哥伦比亚号航天飞机将NASA的钱德拉X射线天文台发射升空。自发射以来，钱德拉利用其无与伦比的X射线视力，帮助人们革新了对宇宙的了解。钱德拉与哈勃空间望远镜以及斯皮策空间望远镜一道，都是是NASA当前的“大天文台”一份子。它的设计目标是探测来自宇宙炽热高能区域的X射线辐射。

钱德拉凭借其非凡的灵敏度和分辨率，观测了从最邻近的行星和彗星到最遥远的已知类星体在内一系列的目标。望远镜拍摄了爆发恒星的遗迹（也就是超新星遗迹），观测了银河系中心特大质量黑洞周围的区域，并发现了遍布宇宙的黑洞。钱德拉还查探了星系团碰撞过程中暗物质和普通物质的区分，使暗物质的研究向前迈进了一大步。它还对暗能量本质的研究作出了贡献。9