X射线天文学的发展史

说到X射线，想必很多人都不会感觉陌生。比如在医院体检的时候，医生通常的检查手段就是会用X射线仪透视我们的身体，查找各种可能的病症;又比如我们去坐火车、汽车、飞机等，都可以见到X光行李检查仪来检测危险品等。正是因为X射线的这种强大的本领，在现代社会中，X射线不但广泛用来帮助人们进行医学诊断和治疗；同时，也大量用于工业上的非破坏性材料的检查。

实际上，X射线是科学家无意间发现的。1895年11月，德国物理学家伦琴(W.K.Roentgen )在进行阴极射线的实验中，意外的发现射线管中会发出了某种神秘的射线。因为当时对于这种射线的本质属性了解甚少，所以他称之为X射线，表示未知的意思，现在也称为伦琴射线。不过，也许连伦琴自己也没有想到，他无意中发现的这种射线成为了19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生，而在1901年诺贝尔奖第一次颁发时，伦琴也这一发现而获得了这一年的物理学奖。

X射线的发现者-伦德国物理学家伦琴

现在我们知道X射线实际上是一种波长很短电磁波。可见光也是电磁波，不过X射线的波长比可见光要短得多。宇宙空间的各种天体，在各种波长上发出的电磁辐射，包括可见光和X射线，给我们带来了关于天体的信息，这使得X射线在天文学研究方面也得到了广泛应用。

自古以来，人们一直在可见光波段观测天体，这就是传统的光学天文学。在很长的时期里，人们只能接收天体发出的可见光，这其实是电磁辐射中极其狭窄的范围。事实上，许多天体如恒星、星系等在发出可见光的同时还发出射电、红外、紫外、X射线或γ射线等辐射。

按照现代物理学的观点，电磁辐射（包括可见光）既具有波动的性质，也具有粒子的性质。这称为波粒二象性。电磁辐射中的粒子称为光子。电磁波的能量就以光子的能量表示。电磁波的波长越短（频率越高），相应光子的能量越大。X射线的波长从10纳米到0.002纳米，其光子携带着相当大的能量，所以天体的高能现象都伴随着X射线（有时还有γ射线）的辐射。X射线中波长较短即能量较大的部分，又称为硬X射线，波长较长即能量较小的部分，又称为软X射线。在X射线的这两端，分别与γ射线和紫外线波段的一部分重合，彼此很难截然区分。

不过，地球的表面覆盖着深厚的大气层。地球大气中的各种粒子对进入大气的电磁波产生吸收和散射等作用，使得除可见光、部分无线电波和小部分红外线以外的天体辐射都难以穿透大气到达地面。为了克服大气对地面观测的限制，空间天文技术应运而生。这就是应用高空气球、探空火箭和人造卫星等运载天文观测仪器到大气层外进行观测。空间天文探测的对象主要是被阻挡在大气窗口之外的各种电磁波段，即γ射线、X射线、紫外线、红外线以及从短波到甚长波的射电波。

X射线天文学发展的三个里程碑

1.      X射线探空火箭的发现

就X射线的探测来说，美国进行了开创性的工作。早期的探测工作集中于对太阳的研究，探测的工具主要是探空火箭。1948年美国海军实验室的科学家用V-2火箭发射至近百千米的高空，首先接收到来自太阳的X射线辐射。此后十余年中，继续用火箭监测太阳的X射线辐射。1960年，该实验室的布莱克（R.L.Blake）等人利用“空蜂”号火箭携带一架针孔直径为0.0127厘米的针孔照相机成功地拍摄到太阳的X射线照片，这也是人类获得的第一张X射线照片。

20世纪60年代，用高空火箭还做出了许多发现。首先，1962年6月，美国麻省理工学院以里卡尔多·贾科尼（R.Giacconi）为首的科研组发射的一枚火箭，达到230千米的高度，用以探测太阳辐射产生的月面荧光X射线辐射。 6月28日，第一次成功地探测到太阳系之外的一个X射线源，它发射的X射线亮度比可见光亮度约大1000倍。该源被命名为天蝎座X-1，这是人类探测到的第一个太阳系外的X射线源。此前人们曾经有一种观念，认为太阳系之外的X射线源无法探测到，而这个发现彻底破除了这种错误认识。从此，贾科尼等人开创了太阳系外X射线天文学的发展阶段，堪称X射线天文学发展史上的第一个里程碑。

1964年，首次拍摄到太阳X射线冕洞的照片。

1966年，探测到巨椭圆星系M87的X射线辐射，这是探测到的第一个河外X射线源。

1967年，探测到宇宙X射线背景辐射。

1969年，发现了蟹状星云脉冲星PSR 0532的X射线的脉冲辐射，这是第一颗发现的X射线脉冲星。此外，还发现了一些密近双星成员的X射线源如天鹅座X-1、武仙座X-1等。在60年代使用火箭共发现了约30个X射线源。

2.      X射线探测卫星升空

高空火箭的留空时间非常短暂，为了克服这一缺陷，从60年代起，已经开始使用卫星来探测天体的X射线辐射。例如1962年～1969年美国发射的“轨道太阳观测台”（OSO）1至6号，以及1969年苏联和东欧共同发射的“国际宇宙”1号，都对太阳的X射线辐射等进行了探测，而主要工作并不是宇宙X射线的探测。

1970年，发射了一颗专门用于X射线探测的“乌呼鲁”（Uhuru，斯瓦希里语“自由”的意思）号卫星。由于发射地点是在非洲的肯尼亚（斯瓦希里语是该国的通用语言），而发射日期12月12日正巧是肯尼亚的独立纪念日，当日该国人民为庆祝独立高呼“乌呼鲁”，遂以此命名卫星。该卫星上携带的两个探测器，分别能达到0.5度和1度的定位精度，可以探测波长0.06纳米～0.57纳米的X射线辐射。之前火箭飞行时间短暂，每次只能观测几分钟。因为是专用卫星，可在绕地球的轨道上进行长期观测，尤其可连续监测个别的X射线源，以便发现它们的X射线辐射强度随时间的变化。在3年内，它首次完成了X射线波段的系统巡天，提供了全天X射线源的分布图。1974年，由贾科尼领衔的小组，发表了利用“乌呼鲁”卫星对银河系内X射线源的巡天结果，得到了银河系X射线源的分布图。结果表明，绝大多数的银河系X射线源都位于银道面附近（不超过20°），位于旋臂内，它们也表现出向银心聚集的倾向。“乌呼鲁”卫星在首次完成的巡天观测中发现了339个X射线源，为天文学家展示了许多发射X射线辐射的各种类型的天体。

“乌呼鲁”的另一重大成就是发现了银河系中的X射线双星，它也证认了天鹅座X-1。贾科尼教授排除了这个X射线源是超新星爆炸的可能性，确定此现象来自一个稳定系统。他提出了双星引力能释放模型。实际上它是由一颗蓝巨星和一颗发射X射线的子星组成的双星，根据“乌呼鲁”卫星探测到的X射线辐射的特征，人们认为后一子星很可能是一个黑洞。“乌呼鲁”卫星的发射是X射线天文学发展的第二个里程碑。

继“乌呼鲁”之后，美国、西欧、日本和苏联共发射了20多颗X射线天文卫星。1972年8月美国的“轨道天文台”3号（OAO-3）发射升空，后来为纪念哥白尼诞生500周年，被命名为“哥白尼”卫星。它携有一架口径81厘米的反射望远镜，另外还携有3架小型X射线探测器。

1974年8月荷兰发射的“荷兰天文卫星”1号、1974年10月英国发射的“羚羊”5号、1975年5月美国和意大利联合发射的“小型天文卫星”3号、1977年8月美国发射的“高能天文台”1号（HEAO-1）等都对天体X射线辐射的探测做出了重要贡献，相继发现了一批暂现X射线源和X射线暴源，发现了X射线爆发和许多新的X射线源，使得至70年代末，已发现的X射线源的总数达到1500多个。

1974年4月5日的火箭飞行探测到御夫α（五车二）的X射线辐射，它被认为来自该星的星冕，这是除太阳以外第一个发现的恒星X射线冕源。

3.      X射线望远镜诞生

在以往发射的火箭和卫星上，接收X射线用的仪器是计数器，只能记录射入仪器且能量在某一范围内的X射线光子数目，而且它们探测X射线源的方向性较差，尤其是不能成像，这更是重大缺陷。天体的X射线像不可能用普通的光学望远镜去观测。X射线的波长大多短于1纳米，对于这样短的波长，普通的折射镜和反射镜都无法使之成像。因为，构成镜面的固体材料中两个原子之间的典型间隔约0.1纳米，所以入射X射线遇到的是对它说来一个非常“粗糙”的表面，这样在遇到每一个原子时会向极其杂乱的各个方向发生散射，从而成不了像。贾科尼等人经深入研究发现，虽然X射线既不能被透镜折射也不能被反射镜反射，但对于光子能量小于12千电子伏(电磁波波长约长于0.1纳米)的软X射线而言，在非常倾斜的掠射角下，即X射线以与镜面几乎平行、仅仅1°至2°的交角入射，原子似乎挨得更紧密，这样就会产生全反射。这种方式称为掠射。利用这一原理，20世纪70年代中期他们研制成掠射式X射线望远镜。该望远镜由4层内外套着的环组成，4层环中每层环圈上都有一组特定的抛物面镜和双曲面镜，利用先后两次全反射使收集到的X射线聚焦于同一焦点，最后获得天体的X射线像。这使大面积X射线聚焦成像技术成为现实，制成了真正有研究价值的高分辨本领的X射线望远镜。

1978年11月美国发射了HEAO-2卫星（“高能天文台-2”）。1979年正逢爱因斯坦诞辰100周年，为了纪念这位伟大的科学家，“高能天文台-2”卫星又被命名为“爱因斯坦X射线天文台”。它携带了第一架X射线望远镜，口径为0.58米，率先使用了掠射成像技术，从而产生了第一张由卫星拍摄的X射线像。它的发现空前丰富，主要有：记录到银河系内各种正常恒星发出的X射线，发现绝大多数类星体都是X射线源，发现了发射X射线的球状星团，发现了一个温度高达30万开的X射线气环等等。与以往的X射线天文卫星能探测到的最暗的X射线源相比，它能发现暗1000倍的X射线源。它的定位精度达到1角分，分辨角达到2角秒，可与地面上的光学望远镜相匹配。爱因斯坦X射线天文台于1980年4月停止工作，尽管目前它已成为历史，但是它的发射被看成X射线天文学发展的第三个里程碑。

X射线天文学发展的新阶段

X射先天文学在以上发展的基础上，于上世纪90年代起进入了发展的新阶段。1990年6月，德国、美国和英国联合发射了ROSAT卫星。为纪念X射线的发现者伦琴，它又称为“伦琴X射线天文卫星”，其上安装着两架口径分别为84厘米和57厘米的掠射式X射线望远镜。灵敏度比爱因斯坦X射线天文台提高近100倍，实现了X射线源的探测在灵敏度和角分辨率上的飞跃。它首先开展了为时半年的巡天观测，发现了大约8万个X射线源，使被发现的X射线源的总数一下子扩大了20倍。在以后7年多的时间内，完成了9千多次定点观测，获取了大量科学数据。它发现了月球、5颗彗星和18颗脉冲星的X射线辐射；对超新星、超新星遗迹和河外星系作了观测和研究，获得了许多非常重要的新成果。

ROSAT卫星

1999年7月，美国宇航局用“哥伦比亚”号航天飞机把“高级X射线天体物理卫星”送入太空。为纪念美籍印度裔天体物理学家、诺贝尔物理学奖获得者钱德拉塞卡（S. Chandrasekhar），把它命名为“钱德拉X射线天文台”。它的主体是一台口径1.2米的大型掠射式X射线望远镜，工作在0.25纳米～6纳米波段，提供了亚毫角秒的天体像和高质量的X射线谱线像。它是迄今为止进入太空的最大最精密的天文望远镜之一，比爱因斯坦天文台灵敏度又提高了1000倍，探测区域扩展到遥远的宇宙深处。为了避免地球辐射带的影响，它运行在环绕地球的大椭圆轨道上。它的主要观测任务是提供关于黑洞和河外星系碰撞的高能现象以及超新星遗迹等主要的宇宙X射线源的详细资料。

钱德拉X射线天文台

1999年12月，欧洲空间局发射了“多镜面X射线观测卫星”（XMM），后来为纪念大科学家牛顿改名为“XMM-牛顿”。它的轨道也是大椭圆形。它的灵敏度又有新的提高。它携带的仪器主要有：3台掠射式X射线望远镜，均由多个套筒组成，最大一层的直径为70厘米，焦距为7.5米。另有3台光子成像照相机、两台反射式光栅分光仪，都放置在X射线望远镜的焦平面上。这是第一次把高分辨分光仪用于X射线的探测。另有一台口径30厘米的光学/紫外望远镜。这样，它可以在多波段同时成像，一举获得X射线源的光学对应体的可见光图像。“XMM-牛顿”上天以后，已经取得了一系列举世瞩目的成就，探测到许多X射线源，其中包括恒星、黑洞、类星体、活动星系，许多天体是首次观测到的。

多镜面X射线观测卫星

据资料显示，从1962年到1999年X射线探测的灵敏度提高了100亿倍左右，这样便就能更多、更深、更远地看到整个星系，这是异常巨大的进步。观测技术在X射线波段上的迅速进步，以及所取得的许多前所未见的重大发现，使X射线天文学成为堪与光学天文学和射电天文学并驾齐驱的、新兴的天文学分支，展现出光辉的发展前景。

贾科尼的贡献

现代X射线天文学之父-贾科尼

说到X射线在天文学上的发展，就不能不提到一个人：2002年诺贝尔物理学奖得主之一贾科尼。贾科尼1931年出生于意大利北部港口城市热那亚。1954年，贾科尼在意大利米兰大学取得宇宙射线物理学博士学位，之后以“富布赖特研究生”身份进入美国印第安纳州大学。1959年，28岁的贾科尼受聘加入美国科学与工程公司。这个公司的主席是罗西（B. Rossi）。1960年，在贾科尼和罗西的开创性论文中，他们研究了X射线望远镜。1962年，贾科尼把3个计数器装入空蜂号火箭上发射到高空，成功地发现了太阳以外的第一个宇宙X射线源天蝎座X-1。接着又发现了均匀的宇宙X射线背景辐射和另外两个X射线源。其中之一就是著名的蟹状星云，是中国古代天文学家于1054年观测到的超新星的遗迹。这几个源都是X射线非常强的新型天体。与太阳相比，天蝎座X-1的X射线辐射强度比光学强度高出几千倍，而蟹状星云的X射线强度更胜几百亿倍。他还探测到了可能来自黑洞周围的X射线。他们还进行了X射线巡天，给出了宇宙的新的X射线图像。这些发现开辟了“X射线天文学”的新领域。

贾科尼不仅在X射线天文学方面做出了划时代的发现，而且还在观测技术上有许多重大贡献。他和他和合作者制作了火箭用的仪器，还发展了卫星用的观测设备。他们设计和研发了许多X射线天文卫星。贾科尼领导研制了世界第一个宇宙X射线探测器——“乌呼鲁”卫星，它于1970年发射升空。他还领导研制了世界第一个装备X射线成像望远镜的“爱因斯坦X射线天文台”，它于1978年进入太空，首次提供了精确的宇宙X射线图像。1976年，贾科尼倡议研制更为强大的钱德拉X射线望远镜。这一探测器直到1999年才进入地球轨道。

贾科尼于1973年被聘为哈佛大学教授。在那里，他和他的团队发展了周密的管理方法，让X射线天文台能为全世界天文学家生产标准的科学数据。1981至1993年间，贾科尼出任设于巴尔的摩的空间望远镜研究所首任所长，把用于爱因斯坦卫星的方法用来为哈勃空间望远镜制定运行计划、数据归算和文档系统。1990年，担任欧州南方天文台总台长，成功地领导了甚大望远镜阵的4台8米光学望远镜的设立。1999年，他回到美国任大学联合体主席，负责建立设于智利北部的阿塔卡马大毫米波阵，兼任美国国立射电天文台的台长。

诺贝尔物理学奖正是对于贾科尼几十年来在X射线天文学领域中一系列开创性工作的褒奖。除了在X射线天文学上的辉煌成就之外，他还是紫外、光学和射电等天文学领域中最先进望远镜的领军人物。他在现代天文观测能力的发展中所起的作用是无与伦比的。贾科尼获得的其它奖项还有1981年的布鲁斯奖、1982年的英国皇家天文学会金质奖章、2003年的美国国家科学奖章等等。第3371号小行星以他的名字命名。

现在，经过许多科学家披荆斩棘的开拓，X射线天文学已经发展成为一门大学科，在天文学中占有举足轻重的地位。贾科尼的贡献将永垂人类探索宇宙的史册。

来源：天文爱好者

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