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科普 | 还在觉得X射线高大上?一起来谈谈 X射线天文学

发布:2020-06-15 09:44:58     来源:中科院高能所
对天体的高能的X射线和γ射线的能量测量研究始于1960年代初期。在此之前,天文学家已经知道太阳是X射线和γ射线的强辐射源,但没有在X射线波段下观察到其他天体。由于地球大气层吸收了大部分X射线和γ射线,因此需要将探测器放到可以飞到地球大气层之上的火箭上。

1962年,美国科学与工程公司(AS&E)发起了首次成功探测X射线宇宙辐射源的火箭飞行(美国科学与工程公司(AS&E)中有许多大牛,比如Riccardo Giacconi,Herb Gursky,Frank Paolini和Bruno Rossi)。这次火箭飞行使用了一个小型X射线探测器并发现了非常明亮的X射线源,天文学家将其命名为Scorpius X-1(之所以命名为天蝎座X-1,是因为它是在天蝎座中发现的第一个X射线源)。

1970年代,诸如Uhuru,Ariel 5,SAS-3,OSO-8和HEAO-1的专用X射线天文学卫星相继发射,它们的观测结果使X射线天文学以惊人的速度发展。

科学家推测,银河系的X射线源是X射线双星。X射线双星由中子星和正常的恒星组成的双星系统。正常恒星为中子星提供物质,我们称之为吸积。因为吸积物质让转移物质的引力能以X射线的形式释放出来,使双星系统成为了X射线源。此外,天文学家可以通过双星系统亮度变化周期推算出中子星的质量。

经过观测和推算,有些"中子星"的质量似乎过大,而不能继续保持中子星的状态,而这种情况可以作为支持黑洞存在的证据。就像在射电天文学中通过规律的射电脉冲寻找脉冲星一样,双星系统如果显示出特征性的X射线脉冲周期,那就可以确定中子星的自旋速度。我们还发现一些银河系X射线源变化很大——某些光源会出现在天空中,保持明亮状态数周后再次从视野中消失——这样的源称为X射线瞬变源。

在一些星系的内部天文学家也发现了X射线,这些X射线来自于活动星系核(AGN)。更准确的说,X射线来自于星系中心一个非常大的黑洞附近的超相对论气体。之后天文学家发现了遍布整个天区的弥漫X射线背景。

1980年代至2000年代初期活跃的一系列卫星继续扩展了X射线天文学的研究范围:HEAO系列卫星,EXOSAT,Ginga,RXTE,ROSAT,ASCA以及BeppoSAX,它们探测到了γ射线暴(GRB)的第一波余辉。

钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory CXO)是美国国家航空航天局(NASA)在X射线天文学研究领域内相当重要的一颗卫星,于1999年7月发射,用于检测来自宇宙中非常高能区域的X射线,例如银河星团、围绕黑洞的物质和爆发的超新星。

另一个X射线任务是日本的朱雀卫星(Suzaku),它于2005年7月发射。它是由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)与和美国国家航空航天局(NASA)的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)共同开发的。

欧洲宇航局(ESA)则发射了多镜片X射线观测卫星(XMM-Newton),它与钱德拉X射线天文台一样于1999年发射,用于观察超光X射线源并找到中等质量黑洞存在的证据。

最近发射的X射线任务是核分光望远镜阵列(NuSTAR),它专门用于观察硬X射线(比其他轨道X射线望远镜所观察到的能量更高的X射线)。NuSTAR将在我们的银河系中寻找黑洞和其他坍塌的恒星,绘制年轻的超新星残骸分布,并研究活跃的银河系原子核中的相对论喷流。

这些卫星的观测数据帮助我们进一步了解这些X射线源的性质以及它们发射X射线和γ射线的机制。对这些机制的理解反过来可以帮助我们理解宇宙的基本物理规律。通过使用X射线和γ射线探测器探索深空,让我们收集了许多关于高能天体的重要信息。天文学家们正着手尝试解决诸如宇宙如何开始以及宇宙如何演化之类的问题,并相信这些对预测宇宙最终的命运有所帮助。

在2.4节介绍了X射线天文学,中国也于2017年也发射了硬X射线调制望远镜(Hard X-ray Modulation Telescope, HXMT也称为"慧眼"卫星)用于搜索来自深空的高能X射线。在2.5节我会介绍γ射线天文学,请各位读者继续关注这个翻译专栏,再次感谢大家的阅读。

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