文/小超

提起X射線，相信讀者們并不陌生。在醫(yī)生看病的過程中，如果需要了解患者骨骼的情況，一般首先會(huì)讓患者去拍一張X光片，利用X射線穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，獲知人體內(nèi)部的情況。在宇宙中，X射線往往產(chǎn)生于非常劇烈的高能天體物理過程中，可以使天文學(xué)家們見識(shí)到通過其他頻段的信號(hào)所無法認(rèn)知的世界，加深我們對(duì)宇宙、星系和恒星物理過程的理解。同時(shí)，X射線與可見光因?yàn)椴煌奈锢硖匦?，又使得科學(xué)家們必須利用特別的觀測方式獲取天體的X射線信號(hào)。

X射線天文學(xué)的發(fā)源

醫(yī)院的放射科往往會(huì)采取比較嚴(yán)格的輻射防護(hù)措施，因?yàn)榻邮軇┝砍瑯?biāo)的X射線輻射，會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生威脅。然而，在地面上生活的我們卻不需要為太空中的X射線擔(dān)心。地球的大氣層不但供給了萬物賴以生存的氧氣，還將宇宙中的X射線阻擋在地面以上。當(dāng)來自天體的X射線穿過地球大氣層時(shí)，這種穿透力很強(qiáng)的電磁波會(huì)被大氣層中的水分子全數(shù)吸收。

對(duì)于地球上的各種生靈，大氣層的這種保護(hù)作用當(dāng)然是一件好事。然而，對(duì)于天文學(xué)家來說，就失去了在地面上進(jìn)行X射線天文觀測的可能。在可見光波段開展觀測的天文學(xué)，自伽利略將光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測后就開始蓬勃發(fā)展。而X射線天文學(xué)的發(fā)端，則要等到二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，火箭技術(shù)開始走向?qū)嵱没蟆?949年1月，美國海軍實(shí)驗(yàn)室在新墨西哥州的白沙試驗(yàn)場發(fā)射了一枚Aerobee 150探空火箭，火箭的最大飛行高度剛好越過了稠密大氣的頂部，安裝于火箭頂部的探測器發(fā)現(xiàn)了來自太陽的強(qiáng)烈的X射線。

▲多層鏡片嵌套的X射線望遠(yuǎn)鏡

▲大氣層對(duì)各個(gè)波段電磁波吸收情況的示意圖，波長較短的X射線會(huì)被全部吸收

按照后續(xù)研究所獲得的結(jié)論，當(dāng)太陽磁場發(fā)生重聯(lián)時(shí)，由磁場加速的粒子會(huì)以極高的速度轟擊太陽表面的物質(zhì)，產(chǎn)生X射線輻射。太陽只是一顆普通的主序恒星，如果太陽能夠釋放X射線，天文學(xué)家們猜想其他恒星應(yīng)該也能釋放X射線，因而X射線應(yīng)該是在宇宙中廣泛存在的。1962年，又一枚探空火箭的探測結(jié)果證實(shí)了天文學(xué)家們的猜想。一個(gè)位于天蝎座方向的X射線源被發(fā)現(xiàn)，并被命名為X-1?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，X-1實(shí)際上是雙星系統(tǒng)中的一顆中子星。另一顆恒星上的物質(zhì)在中子星引力的作用下，被輸運(yùn)到中子星附近的過程就會(huì)產(chǎn)生X射線。

探空火箭雖然能夠飛行到稠密大氣之上，但其能夠在這個(gè)高度飛行的時(shí)間較短，很難系統(tǒng)地進(jìn)行X射線天文學(xué)觀測。隨著航天技術(shù)的日趨成熟，科學(xué)家們將X射線望遠(yuǎn)鏡安裝在衛(wèi)星上，發(fā)射到大氣層以上的太空軌道中，從而獲得了系統(tǒng)持續(xù)的X射線觀測數(shù)據(jù)。

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡

由于X射線和可見光迥異的物理特性，可見光波段的各種光學(xué)器件無法對(duì)X射線產(chǎn)生同樣的效果，用于將可見光聚焦到一個(gè)焦面上的鏡片面對(duì)X射線就無能為力了。因此，必須針對(duì)X射線的特性設(shè)計(jì)特別的望遠(yuǎn)鏡。

▲X光對(duì)人體的透視

▲X射線波段觀測到的子彈星系團(tuán)

任何材料對(duì)X射線的折射率都小于1，因此，當(dāng)X射線從近乎平行于材料表面的方向，小角度掠入射到材料表面時(shí)，可以被材料全部反射。利用這種特性，科學(xué)家們研發(fā)了掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡的光路一般由一個(gè)雙曲面和一個(gè)拋物面構(gòu)成，X射線在經(jīng)過兩次全反射后被聚焦。在焦面上，既可以安裝CCD等成像原件，用于獲得X波段的圖像，又可以將X射線引入光譜儀，分拆出不同波長的X射線強(qiáng)度。

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡原理雖然簡單，但是為了獲得理想的觀測效果，X射線的反射面必須加工得相當(dāng)平滑。掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡的原理在上世紀(jì)50年代就提出了，但在這個(gè)苛刻的條件限制下，直到上世紀(jì)70年代后，這種望遠(yuǎn)鏡才得到廣泛的應(yīng)用。為了提高有效的X射線入射面積，科學(xué)家們會(huì)采用“圓環(huán)套圓環(huán)”的排列方式，讓若干個(gè)反射面嵌套在一起，構(gòu)成一個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡。

▲測試中的中科院國家天文臺(tái)龍蝦眼X射線望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)

▲中科院國家天文臺(tái)X射線探針衛(wèi)星上的龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡模塊布置

根據(jù)光的波粒二象性，波長越短的X射線，其單個(gè)光子攜帶的能量越高。早期的掠入射式望遠(yuǎn)鏡只在反射面表面鍍膜一層，對(duì)能量較高的硬X射線的反射能力有限，只能對(duì)于10千電子伏特量級(jí)以下的軟X射線進(jìn)行觀測。自上世紀(jì)90年代開始，人們開始嘗試在發(fā)射面上鍍多層膜，上面的膜層反射能量相對(duì)較低的X射線，下面的膜層反射能量相對(duì)較高的X射線，從而將這種望遠(yuǎn)鏡能夠觀察到的X射線光子能量提高到了150千電子伏特。

▲龍蝦的眼部結(jié)構(gòu)

▲龍蝦眼睛內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)

此外，對(duì)于難以被反射的硬X射線，還有一種觀測方法，就是使用準(zhǔn)直型非直接成像望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡在觀測時(shí)，通過讓不同方向的X射線交替進(jìn)入裝置的方式，來獲取某一方向X射線的強(qiáng)度。這種方式需要較為繁雜的后處理過程，才能得到觀測圖像。

龍蝦眼型X射線望遠(yuǎn)鏡

掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了X射線的直接成像觀測，但卻存在視場太小的局限。當(dāng)這種望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)某個(gè)方向后，只能觀察到那個(gè)方向的一個(gè)小區(qū)域中的圖像。但對(duì)于一些方向的天文學(xué)研究，科學(xué)家們更希望能夠大視場的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)，能夠一次看到相對(duì)廣闊天空區(qū)域中的情況。

為了設(shè)計(jì)出這樣的望遠(yuǎn)鏡，人們從龍蝦這種美味的食材上找到了靈感。和人與不少動(dòng)物只有單一瞳孔不同的是，龍蝦的眼鏡由大量整齊排列的微型管道構(gòu)成，管道壁光滑且指向同一球心。每個(gè)微型管道中相鄰兩個(gè)面的反射可以使光線落到龍蝦眼鏡的球形視網(wǎng)膜上。1979年，美國學(xué)者提出了利用類似結(jié)構(gòu)的成像裝置實(shí)現(xiàn)大視場X射線觀測的方法。在這種裝置中，正交排布的微型管道指向同一個(gè)球心，管道壁使用能夠反射X射線的光滑內(nèi)壁構(gòu)成，通過X射線在管道中的發(fā)射將其引導(dǎo)到球形焦面上。

▲龍蝦眼望遠(yuǎn)鏡

▲掠入射式X射線望遠(yuǎn)鏡原理

▲X射線（左）和可見光波段（右）觀測到的土星

在這種方案中，管道截面的邊長僅幾十微米，而管道的長度又要達(dá)到截面邊長的50倍左右，對(duì)于材料加工來說是很大的考驗(yàn)?！褒埼r眼”望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)思路是1979年提出的，然而直到近期，美國的Lobster-ISS和中國的愛因斯坦探針計(jì)劃，才開始將這種思路付諸實(shí)踐。