X射线天文学

X射线，想必你并不陌生。在医院体检的时候，医生会用X射线仪透视你的心肺。这种仪器的X射线是人工产生的。用一定的电压在真空中把电子加速，让电子打在一个靶上。电子突然减速过程中，它的大部分动能即转化为光子能量，从而发出X射线。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，发现射线管中发出了某种射线。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。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。

现在我们知道X射线是一种电磁波。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。

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。

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

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。

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。