X射电天文学

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1、X 射线天文学维基百科，自由的百科全书X 射线天文学 是以天体的 X 射线辐射为主要研究手段的 天文学 分支。 X 射线天文学中常以 电子伏特（eV）表示光子的能量，观测对象为 0.1keV 到 100keV 的 X射线。其中又将 0.1keV-10keV 的 X 射线称为软 X 射线， 10keV-100keV 称为硬X 射线。由于 X 射线属于电磁波谱的高能端，因此X 射线天文学与 伽玛射线天文学同称为 高能天体物理学 。宇宙中辐射 X 射线的天体包括 X 射线双星 、 脉冲星 、 伽玛射线暴 、 超新星遗迹 、活动星系核 、太阳活动区 ，以及星系团 周围的高温气体等等。 由于地球 大气层

2、 对于 X 射线是不透明的，只能在高空或者大气层以外观测天体的X 射线辐射，因此空间天文卫星 是 X 射线天文学的主要工具。目录X 射线天文学的起源1949年 9 月，美国 海军研究实验室 （NRL）的研究人员在 新墨西哥州 的白沙导弹靶场 ，使用德国 V-2 火箭搭载的 盖革计数器 ，首次观测到了太阳 日冕发出的 X射线1，证实了太阳是一个X 射线源， 1956年，人们又利用气球上发射的固体火箭观测到了太阳 耀斑发出的 X 射线。由于 月亮反射太阳的光，人们推测月亮也会发出微弱的 X 射线荧光。1962 年 6 月 18 日，美籍意大利裔天文学家 里卡尔多贾科尼 等 人利用 Aerobee探

3、空火箭升至 150 公里的高空，在 X 射线波段开始了全天范围内的扫描。火箭上带有三个盖革计数器，利用X 射线穿透的窗口厚度不同，可以记录下光子的能量，同时利用火箭自身的旋转确定X 射线源的方向。这次试验原本是想观测月亮的X 射线辐射，但是这个目的没有实现，却在火箭滞空的 6 分钟 里，在距离月亮大约25度的地方，意外地发现了一个很强的 X 射线源 ，因为位于 天蝎座，命名为 天蝎座 X-1。后来证实为来自 银河系 中心的 X 射线辐射。天蝎座X-1 是人类发现的除太阳以外的第一个宇宙X 射线源。这次观测被认为是X 射线天文学的开端。贾科尼也因他开创性的贡献获得2002年的诺贝尔物理学奖 。X

4、 射线天文学观测设备X 射线探测器气体探测器 是 X 射线天文学上广泛使用的观测设备。它在密闭容器中充有数个大气压的以惰性气体为主的混合气体，中间有一根或多根阳极丝， 并在周围加高压电场。它可以用来计数单个X 射线光子，并将计数率转换成流量。一般有一根阳极丝的这类探测器称为正比计数器 ，有多根阳极丝的称为 多丝正比室 。早期X 射线天文卫星多装有这类探测器， 用卫星本身的旋转来确定X 射线源的方向。半导体探测器 以半导体作为探测设备，当X 射线入射到探测器上，就会产生一个电子空穴对。 其特点是能量分辨率和探测效率较高，但是不能做得很大。 随着现代技术的发展， CCD 设备应用于 X 射线探测。

5、1993 年发射的日本 ASCA 卫星是首个应用 CCD 设备进行 X 射线成像的天文卫星。 闪烁探测器 通过荧光的方式探测 X 射线或者带电粒子，主要由闪烁体、光电倍增管 等组成。常见的闪烁体有 NaI，用它作成的闪烁探测器也被称为NaI 探测器。微通道板探测器 （MCP）原理如同多个微型光电倍增管，在金属薄板上打出多个小孔，用类似 CCD 的排列方式获得入射X 射线光子的能量、位置等信息。伦琴卫星 （ROSAT）采用了这种探测器2。空间 X 射线成像设备由于 X 射线照射普通物质时会穿透或吸收， 不能像可见光一样发生反射和折射，人们发明了 掠射式望远镜 ，让 X 射线以近乎平行的角度照射在

6、金属板上发生反射，从而聚焦成像，用这个原理制造的望远镜称为掠射式望远镜，主要用于软X射线的成像。1963年贾科尼在探空火箭上安装了第一个能成像的X 射线探测器。1970年代早期美国的 天空实验室 上搭载了掠射式望远镜，用于拍摄太阳。爱因斯坦卫星 是首个应用大型掠射式望远镜的X 射线天文卫星。目前大部分X 射线天文卫星上都安装了掠射式望远镜，口径和分辨率都在不断提高。对于硬 X 射线，掠射式方法不再有效，通常采取调制型成像技术，用硬件方法实现 X 射线源的时间或空间上的调制，而后用软件方法解调得到信息。常用的有编码孔成像，采用此技术的有欧洲的国际伽玛射线天体物理实验室（INTEGRAL ）等。X

7、 射线天文卫星1999年发射的钱德拉X 射线天文台X 射线天文学的兴起得益于20 世纪 70 年代空间天文技术的快速进步。1960 年代末，人们利用火箭和气球已经确定了大约30 个左右的 X 射线源，包括 椭圆星系 M87、蟹状星云脉冲星 等。在贾科尼的领导下， 1970 年 12 月，美国在 肯尼亚发射了人类历史上第一颗X 射线天文卫星 乌呼鲁卫星 。该卫星在轨期间进行了系统的 X 射线巡天，确定了 339 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。并于 1977 年公布了包括 231 个 X 射线源的乌呼鲁 X 射线源

8、表（ 4U）。继乌呼鲁卫星之后， 1970 年至 1980 年代，代各国相继发射了一系列X 射线天文卫星，包括英国的 羚羊 5 号、荷兰天文卫星 、美国的小型天文卫星 3 号、高能天文台 1 号和高能天文台 2 号（又名 爱因斯坦卫星 ）、欧洲的 X 射线天文卫星（EXOSAT）、日本的 银河卫星 等。美国的 天空实验室 上也安装了 X 射线望远镜用于观测太阳。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

9、线余辉。德国、美国、英国联合研制的伦琴卫星 （ROSAT）在软 X 射线波段进行了首次巡天观测，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 CCD 设备用于 X 射线成像。美国的 罗西 X 射线时变探测器 （RXTE）虽然不能成像，但是能够探测 X 射线源的快速光变。 1999年，两颗重要的 X 射线天文卫星美国的钱德拉 X 射线天文台 和欧洲的 XMM- 牛顿卫星 先 后发射升空。后者具有极高的谱分辨率，而前者兼具了非常高的空间分辨率（0.5 角秒）和谱分辨率，它们是21 世纪初 X 射线天文学主要的观

10、测设备， 开启了 X 射线天文学的新时代， 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。截至 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 （INTEGRAL ）、美国用于观测 伽玛射线暴 的雨燕卫星（Swift）、日本用于观测太阳的日出卫星 也安装有 X 射线观测设备。天体的 X 射线辐射到了 20 世纪 90 年代，人们已知的 X 射线

11、源数量已达到约二十万3。早期的 X射线源一般以 星座名和发现顺序命名，如 天蝎座 X-1，半人马座 X-3 等。这些 X射线源通常需要证认其光学波段的对应体。目前已经知道的银河系以内的X 射线源包括恒星的冕层和星风、超新星遗迹、致密星 、X 射线双星等等。类似的X射线源在 大、小麦哲伦云 等邻近星系中也有发现。 活动星系核以及更大尺度的星系团也是 X 射线源。太阳系以内的X 射线源包括太阳、月球、 行星、彗星等，它们的 X 射线辐射主要来自于反射太阳的X 射线产生的 荧光。较强的宇宙 X 射线源在银道面附近比较集中。此外，天空中还弥漫着X 射线背景辐射。钱德拉 X 射线望远镜拍摄的银河系中心区

12、域X 射线图像天体的 X 射线辐射主要来自 核聚变 、 激波、 以及吸积造成的引力能释放等过程，常见的辐射机制有 热辐射 、轫致辐射 、同步辐射 、逆康普顿散射 。其中，高温气体和高能电子扮演了重要角色。热辐射的温度要达到106K 量级才可以显著地发出 X 射线辐射，高能电子在各种非热辐射中是不可缺少的，这些过程涉及到物理学中的很多基本问题。 而宇宙天体当中提供了地面实验难以达到的各种极端环境，如高温、高密、大尺度、强磁场，X 射线天文学能够和物理学互为基础、相互促进。阳光卫星拍摄的软X 射线波段太阳照片，显示出北极附近区域巨大的冕洞。在地球上看， 太阳是天空中最强的 X 射线源，并且其辐射强

13、度随太阳活动剧烈程度的不同而差异很大4。太阳的 X 射线主要是 日冕发射的。在软 X 射线照片上，太阳表面表现出一个巨大的、X 射线辐射明显偏低的区域，称为冕洞，被认为是太阳风 的来源。 太阳耀斑 是太阳系内能量最高的爆发现象，其中X 射线波段的爆发称为 X 射线耀斑。耀斑的高能X 射线被认为产生于非热电子的轫致辐射过程。X 射线双星 是一类发出明亮 X 射线辐射的双星，双星系统中有一颗为致密星，通常为 中子星 或黑洞。根据伴星的质量， X 射线双星大体上可以分为高质量X射线双星和低质量X 射线双星两类，它们有各自不同的产能机制。 最早确认的 X射线双星是 半人马座 X-35和武仙座 X-16

14、，1971年乌呼鲁卫星观测到了它们的X 射线脉冲，并且发现它们都因两颗子星相互绕转而表现出周期性的掩食。典型的 X 射线脉冲星 X 射线波段的光度为1036-1038erg/s7，比太阳全波段的光度高3到 5 个数量级。低质量X 射线双星还表现出X 射线暴 等非常剧烈的爆发现象。活动星系核 是 X 射线天文学的重要研究对象，它们是一类高光度的天体，辐射功率可达 1043-1047erg/s，其中约一半左右是X 射线辐射。人们普遍认为活动星系核的产能机制来源于 黑洞及其吸积盘 的物理过程。 X 射线光谱中 铁元素能量为6.4keV 的 K发射线是研究黑洞、吸积盘的有力工具。由于黑洞附近强引力场的

15、相对论效应 ，K线往往变得宽而倾斜，同时发生较大的多普勒位移 ，根据铁的 K线的位置、轮廓等信息可以推断出黑洞周围的极端物理状况。星系团 中含有大量的星系际气体， 其质量往往可以达到星系团可见物质总质量的3-5 倍8，并且由于星系团中强引力势阱的束缚，这些气体能够长期稳定存在，并被压缩到很高的温度（可达108K），从而发出明亮的X 射线辐射，这使得星系团的 X 射线辐射功率可以达到1043-1045erg/s， 是宇宙中最强的 X 射线源之一。由于星系团中的 暗物质往往是与高温气体共存的，所以X 射线天文学的研究可以导出暗物质的性质。X 射线天文学的研究现状目前， X 射线天文学的主要研究课题

16、包括X 射线双星 、X 射线脉冲星 、超新星遗迹、致密星 、伽玛射线暴 的 X 射线余辉、 太阳的高能过程、 黑洞、活动星系核、星系团 中的气体与暗物质、 宇宙 X 射线背景辐射 等 等。20 世纪 40 年代以来，X 射线天文学已经从简单的X 射线源观测转向X 射线光谱学的精细研究。高分辨率的 X 射线光谱首先由爱因斯坦卫星上的光谱仪获得，如今，钱德拉 X射线望远镜和 XMM- 牛顿卫星使得天文学家们能够证认出特征谱线。而空间X射线卫星已经获得了不亚于地面大型光学望远镜的空间分辨本领，同时，数据处理水平也在快速提高，这些都令X 射线天文学已经成为天文学中观测资料最丰富、研究最活跃的领域之一。参考文献1. Major Milestones In X-ray Astronomy, by WKT2. ROSAT NEWS No. 73. Voges, W., Aschenbach, B., Boller, T. et al., 1999, Astronomy & Astrophysics, 349, 389 NASA ADS