天文学教程上册：X射线望远镜与γ射线望远镜探索

天体的X射线和γ射线完全被地球大气吸收，因此需要进行太空探测。虽然在20世纪40到50年代末，太空探测是用气球和火箭先后开始进行X射线和γ射线观测的，但70年代后则主要用人造卫星进行观测，首先观测了太阳的X射线和γ射线，接着发现宇宙中的X射线和γ射线辐射。

一般光学望远镜不能用于观测天体的X射线辐射。1960年美国人R.L.布莱克（R.L.Blake）等用针孔照相机获得太阳的X射线照片，1973年用两个互补的多孔径针孔板获得分辨角小于1′的太阳（0.8～2 nm波段）像。同时期，利用掠射光学原理研制出X射线望远镜，它由嵌套的柱面组合的反射物镜成像（见图4-39），分辨可达几角秒。

图4-39　X射线掠射成像望远镜原理

1970年，美国研制的名为Uhuru（意为“自由”）的人类历史上第一颗X射线天文卫星进入轨道，它探测到近170个分立X射线源。后来，三个高能天文卫星HEAO携带更灵敏的仪器，探测到数百个X射线源，其中HEAO-2为纪念爱因斯坦诞辰百年而命名为爱因斯坦天文台，用专门光学方法得到X射线像。功能最多的是德-英1990年6月1日发射的ROSAT卫星，它测绘X射线天图并指向选择对象。1999年7月，美国发射新型X射线天文台AXAF，后为纪念诺贝尔奖获得者钱德拉塞卡而改名为钱德拉（Chandra）X射线天文台［见图4-40（a）］，4个主镜的口径为1.2 m、焦距为1.2 m，工作能量为0.5～8.0 keV，可探测比以前暗50倍的天体，分辨角为以前的，可得X射线像；同年12月，欧洲空间局发射“MM-Newdon”X射线天文台［见图4-40（b）］，它有三个内／外直径为70 cm／30.8 cm、焦距为7.5 m的主镜和光子成像照相机及光栅分光仪，工作于0.15～15 keV，还有可见光监视相机，良好工作延续到2016年，发表5000多篇有关论文。2012年6月美国发射“NuStar（核谱仪望远镜阵列）”X射线空间望远镜，工作能量为3～79 keV，可直接摄取X射线像。2017年6月15日，我国发射“慧眼”X射线天文卫星——HXMT（硬X射线调制望远镜）［见图4-40（c）］，载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器4个探测有效载荷，可观测1～250 keV能量范围的X射线和200 keV～3 MeV能量范围的γ射线。卫星采用直接解调成像方法，通过扫描观测可完成宽波段、高灵敏度、高空间分辨X射线巡天、定点和小区域观测。

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图4-40　X射线望远镜

（a）Chandra；（b）MM-Newdon；（c）慧眼HXMT

图4-41　γ射线望远镜

（a）CGRO；（b）Swift；（c）Fermi

γ射线更难探测，因为γ射线光子能量高于500 keV，无法使用物镜聚焦成像，实际上以光子探测器（电离室或其他类型光子计数器）为主，并为确定γ射线源的方位和角大小而在前面加“准直器”屏蔽。三个重要的γ射线望远镜载于NASA的SAS 2等小天文卫星。γ射线望远镜也载于苏联的两颗卫星和欧洲空间局的COS B卫星。美国1991年4月发射的康普顿γ射线天文台（CGRO）［见图4-41（a）］在绕地球低轨运行到2000年6月，它有4个主望远镜，探测能量为20 keV～30 Ge V的高能光子，灵敏度比以前提高10～50倍，先巡天，再观测选定目标。NASA于2004年11月发射雨燕天文台（Neil Gehrels Swift Observatory）［见图4-41（b）］，延续工作到2018年，它用三架（暴预警、X射线和紫外／光学）望远镜一起观测γ射线暴及其在γ射线、X射线、紫外和可见光波段的余晖。2008年6月发射的费米γ射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）［见图4-41（c）］延续工作十多年，由主要仪器大面积望远镜（探测光子能量为20 MeV～300 GeV）和γ射线暴检测器（14个闪烁计数器）巡天，研究诸如活动星系核、脉冲星等高能天体和暗物质。