我国首座空间望远镜趣谈
发布时间：2013-2-6 17:34
发布者：Liming
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日前，中国科学院院长白春礼院士表示，该院已经启动硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星、暗物质探测卫星、返回式科学试验卫星和夸父计划卫星的工程研制。其中，硬X射线探测卫星、量子科学实验卫星已进入初样研制阶段。 据悉，硬X射线探测卫星有可能成为我国第1颗天文卫星（即空间望远镜）于近年升空。 X射线天文卫星主要观测宇宙高能物理过程 众所周知，天文卫星相当于把天文观测台搬到太空中，所以可轻而易举地改变以往坐地观天的传统，摆脱大气层对天文观测的影响，在全频段范围内对宇宙空间进行详细的观测，对人类科学认识宇宙有革命性的推动。 宇宙中的万物每时每刻都在不断向空间辐射电磁波。由于各种天体的性质和特点不同，所以它们所辐射的电磁波也不同。天文卫星也叫空间望远镜，它是通过探测各种天体所辐射的不同波谱、不同强度的电磁波，对宇宙进行详细了解的。因此，目前天文卫星大多是按照所观测的宇宙中电磁波谱来分类，即分为红外天文卫星、紫外天文卫星、X射线天文卫星、γ射线天文卫星等。 
我国“硬X射线调制望远镜”在轨运行示意图 这些天文卫星各有所长，谁也不能“一统天上”。这是因为宇宙中的天体由于温度不同而发出各种频段的电磁波，靠1颗天文卫星很难进行全频段观测。一般来说，温度越高，发出的电磁波波长越短。人类可以利用这一特性，通过观测天体发出的电磁波，来分析它们的类型和特征。在电磁波谱中，γ射线的波长最短，X射线次之，后面依次是紫外线、可见光、红外和射电波。
将于2021年发射的美国“国际X射线天文台”卫星 近些年，随着X射线天文卫星成果颇多，所以越来越受青睐。这种卫星也称空间高能天文卫星或空间高能望远镜，因为它们主要用于观测宇宙中的高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。宇宙中很多极端天体物理过程，都会产生发射强烈X射线的高温气体，比如白矮星、中子星和黑洞吸积物质的过程，超新星爆发和γ射线暴的激波和喷流。高能带电粒子在磁场中的辐射以及低能光子的作用、中子星的表面和量子黑洞的蒸发也会产生丰富的X射线。由于宇宙中许多天体都散发X射线，因此探测宇宙中的X射线对探索宇宙奥秘具有重要意义。但由于X射线极易被介质吸收，介质对于X射线的折射率近于1，所以在地面进行高能X射线的收集和聚焦是非常困难的事情。也就是说，因为有地球大气的阻隔，在地面上根本无法对宇宙X射线进行观测。即使在太空观测X射线，望远镜的设计也要非常讲究，不能选用折射系统，而且要使射线以掠射方式射入镜面。 
去年6月发射的美国“核区分光望远镜阵列”高能天文卫星 我国首颗天文卫星将拥有最高灵敏度和最好空间分辨率我国研制的首颗天文卫星——“硬X射线调制望远镜”将于近年发射。它是一颗工作于硬X射线能区(1～250千电子伏特)的空间高能天文卫星，用于完成深度巡天，可发现大量巨型黑洞、大批硬X射线天体和一系列天体高能辐射新现象，绘出高精度的硬X射线天图。该卫星具有比欧洲“国际γ射线天体物理实验台”、美国“雨燕”更强大的成像能力和独一无二的定向观测能力，能以最高灵敏度和分辨率发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和其他未知类型高能天体,并研究宇宙硬X射线背景的性质。 这颗天文卫星携带的低能(1～15千电子伏特)、中能(5～30千电子伏特)和高能(20～250千电子伏特)三个望远镜，都是准直型探测器,直接解调扫描数据可以实现高分辨和高灵敏度成像以及对弥散源的成像；而大面积准直探测器又能获得特定天体目标的高统计和高信噪比数据,使“硬X射线调制望远镜”既能实现大天区成像,又能通过宽波段时变和能谱观测研究天体高能过程。 如果及时发射，“硬X射线调制望远镜”将实现世界最高灵敏度和最好空间分辨率的硬X射线巡天，发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,探测宇宙硬X射线背景辐射；将通过对黑洞和其他高能天体宽波段X射线时变和能谱的观测,研究致密天体极端物理条件下的动力学和辐射过程。 美欧日等X射线空间望远镜已取得一批重要观测成果 从1999年起，一些X射线空间望远镜开始陆续升空，大大开拓了天文学家的视野，使他们有可能了解宇宙中一些最神秘的天体。 1999年7月23日，美国“钱德拉”X射线空间望远镜升空。其主镜为4台套筒式掠射望远镜。该卫星在0.1～10千电子伏特之间有高的灵敏度，在宽的谱范围内具有高的谱分辨率，因此能研究极弱的X射线源。 1999年12月10日上天的欧洲“牛顿”X射线多镜面卫星主要用于研究1～120纳米的电磁波谱区域，覆盖了0.1～12千电子伏特的能量范围，在该卫星的10年有效寿命期内，有望收集到宇宙中30000颗星星的X射线光谱。 2005年7月10日，日本发射了“天体-E2”X射线天文观测卫星。该卫星覆盖的能量范围是0.4～700千电子伏特，可与美国的“钱德拉”和欧洲的“牛顿”共同观测一个天体，利用各自的特长收集资料，为国际天文研究做出贡献。 2012年6月13日入轨的美国“核区分光望远镜阵列”卫星，使用独特的技术对宇宙中最高能级的X射线进行观测，可观测来自天体的5～80千电子伏特之间的高能X射线，尤其是核光谱。其主要科学目标是深度探索质量超过太阳10亿倍的黑洞，并了解粒子在活动星系核中是如何被加速到光速的百分之几，以及研究超新星残骸以了解重元素如何在超新星中形成。其一个10米长的桅杆，在发射时呈折叠状态安放,入轨后大约7天内逐渐展开，以帮助探测装置准确聚焦。 此前发射的“钱德拉”X射线空间望远镜主要工作在低能X射线领域，而“核区分光望远镜阵列”主要工作在高能X射线领域，是第1颗专注于高能X射线的空间望远镜，其影像清晰度比观测同光谱区的其他任何望远镜都要高至少10倍，敏感度则提高至少100倍。这样的强强联合有助于回答有关宇宙的一些最基本问题。“核区分光望远镜阵列”卫星已取得一些成果，包括拍到银河系核心黑洞X射线爆发。 延伸阅读 2021年“国际X射线天文台”或将入轨 由于X射线空间望远镜一直持续不断地做出重大天文发现，所以世界一些国家还正研制新的空间高能天文望远镜，仅2013年就将发射3个。 计划2013年发射的俄罗斯的“光谱-X-γ”卫星，主要用于探测上千个星系团和星系群中的热星系际介质以及星系团之间的纤维状热气体，从而研究宇宙的结构演化。 印度的“天文卫星”（AstroSat）也拟于2013年入轨。它是印度首颗天文卫星，主要用于监测宇宙天体源的辐射强度变化；对X射线双星、活动星系核、超新星遗迹和恒星冕进行光谱观测；监视可能出现的瞬变源等。 2013年，日本将发射“天文-H”高能天文卫星,它第一次采用微量能器聚焦在0.3～12千电子伏特能区，预计该卫星将在空间高能天文领域做出大批重要的发现，对于理解宇宙的极端物理现象，尤其是强引力场和强磁场中的物理过程做出重要贡献。 2021年，用于取代“钱德拉”和“牛顿”的“国际X射线天文台”将入轨，它由美欧日联合研制，用于捕获宇宙边缘处黑洞周围发出的信号，并研究它们和宇宙原初星系的关系以及共同演化，了解宇宙的起源和组成，宇宙中各种元素的形成和如何通过恒星、宇宙爆发和粒子加速传播和扩散出去等。该卫星装有口径约3米和焦距12米的光学系统和6个焦平面探测器系统，所以具有前所未有的综合科学能力。其有效面积和能量分辨率将远远超越以前所有的空间高能天文卫星。 由此可见，X射线空间望远镜的发展方兴未艾，是空间天文学的最重要前沿领域之一。(北京日报) |
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