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X射线天文学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-05 | 关注度:47

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[1]、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。

 

  因为天体的 X射线会受到地球大气的严重阻碍,所以主要利用卫星进行探测。因此,虽然 X射线的探测始于二十世纪四十年代,但是成为一门学科,则是人造地球卫星上天以后的事。

 

  早期的观测工作集中于太阳的研究。自从1962年6月18日美国麻省理工学院研究小组第一次发现来自天蝎座方向的强大 X射线源以后,非太阳 X射线天文学进入一个新的发展阶段。七十年代以来,发射了专门研究 X射线的天文卫星,观测到许多先前不知道的宇宙 X射线源,使X射线源的数目从十几个猛增到一千多个。

 

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。

 

内容

太阳X射线天文学

  太阳 X射线的探测,主要弄清了它的三个成分:日冕高温等离子体的连续辐射和其他谱线辐射,构成了 X辐射宁静成分;温度在百万度以上的日冕凝聚区的超热等离子体所产

生的辐射,构成 X辐射的缓变成分,在日面上呈现为 X射线亮斑。太阳活动区所产生的X射线爆发,构成了X辐射突变成分。在日面上呈现为 X射线耀斑。

 

  过去几年,太阳 X射线测量的一个重要方面,是探测 X射线爆发的能谱和偏振。着重于研究耀斑脉冲阶段的高能天体物理过程,如高能粒子的起源、传输、能量的转化以及发射的性质等等。目前已初步确立了X射线辐射源的模型,这对耀斑物理的研究有重要价值。另外,已经研究清楚,太阳X射线在形成地球电离层的过程中起重要作用。

 

  X射线望远镜已具有角秒量级的高分辨本领,这就为深入研究太阳现象创造了条件。X射线耀斑和X射线亮斑的发现大大增进对太阳活动区的研究和认识。而X射线冕洞的发现,更是太阳物理学的一项重大成果。现在已经查明,X射线冕洞就是高速太阳风的风源,也就是日地关系研究中长期没有弄清楚的M区。冕洞物理提出了许多有价值的课题,如冕洞的形成,高速太阳风源的成因等,特别是冕洞的刚性转动倾向迄今还未找到满意的解答。

非太阳X射线天文学

  十多年来,非太阳X射线天文学发展特别迅速,取得重大的突破。在已发现的X射线源中,有多种不同类型的客体,而目前只有少量得到确切的光学证认。在星系和星系团中的强射电星系(如室女座A等)和活动的塞佛特星系等均为著名的X射线源。作为河内的展源,超新星遗迹(如蟹状星云、仙后座A等)也是一类重要的X射线源。有些X射线源,光学证认为双星的成员星,如半人马座X-3、武仙座X-1、天蝎座X-1、天鹅座X-1等等,它们的成员星之一是X射线星。按照现代X射线双星理论,猜想这种X射线星是中子星或黑洞。

 

  大量射电脉冲星的发现,诱导人们去探索X射线脉冲星的存在。随着新的探测技术的发展,已有可能发现后一种脉冲星。1969年发现蟹状星云脉冲星PSR0532的X射线脉冲辐射,它和对应的光学脉冲几乎有完全相同的周期。后来又发现了其他类型的X射线脉冲星。这些发现对双星演化过程的研究很有价值。

 

  X射线天文观测的另一类课题是关于弥漫X射线背景测量。几乎是各向同性的宇宙X射线背景辐射的发现,被认为是六十年代X射线天文学的重大成就之一。

 

  1974年以后的几年中,英国“羚羊”5号及其他卫星,相继发现了宇宙X射线爆发和一批暂现X射线源,从而在宇宙中又揭示了一批前所未知的现象和新型 X射线源,这被公认为七十年代天文学的重大发现。这些过程所释放的能量之大,能量释放速度之快,贮能密度之高以及奇特的再现周期,迄今仍然是现代高能天体物理学的重大研究课题。

 

探测仪器

  X射线天文学所采用的探测仪器随X射线光子能

量不同而有所不同。探测软X射线用薄窗正比计数器,常用铍做窗材料,镀窗的密封性能好,能保证仪器工作稳定,但镀窗的厚度仍然限制着计数数器对更低能量X射线的灵敏度。探测极软X射线,要使用有机薄膜窗的计数器,但有机薄膜窗的气体密封性不好。近年来在空间探测中发展了一种自动调节的流气技术,保证计数器管内维持一定气压,使仪器的响应处于稳定可靠状态,不过它的制造工艺和使用条件都较为复杂。

 

  在非太阳X射线源的探测方面,为提高灵敏度,常常需要大面积的薄宙正比计数器。这种仪器的制造技术近年来发展较快。美国小型天文卫星“自由号”曾使用面积达840平方厘米、厚仅50微米的铍窗正比计数器。随着X射线能量的升高,正比计数器将失去作用,它的探测上限约为60千电子伏。更高能量的探测,则须用闪烁计数器。

 

  正比计数器和闪烁计数器本身没有任何成像和定向功能。为了证认各种X射线源和精确定出它们在空中的方位,必须在计数器前部加上准直器。这种准直技术近几年发展特别迅速。目前广泛使用的准直器类型有丝栅型准直器、板条型准直器和蜂窝状准直器等。前者多用于软X射线波段,后两种用于硬X射线波段。此外,还有闪烁体构成的主动式准直器。

 

  实验X射线天文学的一个突出成就,就是将掠射光学原理应用于X射线天文,使大面积X光聚焦成像技术成为现实,制成了真正有研究价值的高分辨本领的X射线望远镜。它提供了把X射线的探测区域扩大到更遥远的宇宙深处的可能性。

 

  X射线天文学从诞生时起,在近二十年的短暂时间内发现了一系列前所未知的新型天体,获得光学天文和射电天文无法得到的天体信息,大大地扩展了天文学的研究领域。X射线天文学所显示的独特威力,使得它在当代空间天文学中处于特别重要的地位。

 

观测

  通过对天体所辐射的波长为 0.001~ 10 urn的 x射线进行观测来研究天文学的途径。由此形成的天文学叫

做x射线天文学。由于地球大气强烈地吸收天体的x射线辐射,所以探测天体的x射线辐射只能在大气层外进行。自从1962年用火箭首次发现天蝎座方向非太阳强x射线源以来,天文学家已先后观测到1000多个宇宙x射线源。x射线天文学的研究范围包括太阳x射线源、银河x射线源、河外x射线源和宇宙弥漫x射线背景辐射等4大部分。

 

  观测到的宇宙x射线源不同于可见光观测助源,它们大都是包含着很多很多星的巨人热气体云,例如来自几百亿光年的宇宙x射线源可包含几百万亿颗星。x射线天文观测所采用的探测器有探测软x射线的薄窗正比计数器和探测硬x射线的闪烁计数器。应用掠射光学原理,能使大面积x光聚焦成像,从而可以大大提高探测器分辨率。通过x射线天文观测已揭示了一系列前所未知的天体释放高能的奇特进程,获得了光学和射电天文学无法获得的信息,从而大大地扩展了天文学的研究领域。

 

成就

  X射线天文学的一个突出成就,就是将掠射光学原理应用于X射线天文,使大面积X光聚焦成像技术成为现实,制成了真正有研究价值的高分辨本领的X射线望远镜。它提供了把X射线的探测区域扩大到更遥远的宇宙深处的可能性。

 

作用

  X射线天文学从诞生时起,在短暂时间内,发现了一系列前所未知的新型天体,获得光学天文和射电天文无法得到的天体信息,大大地扩展了天文学的研究领域。X射线天文学所显示的独特威力,使得它在当代空间天文学中处于特别重要的地位。

 

相关学科

  天文学、光学天文学、射电天文学、红外天文学、恒星天文学、空间天文学、天体物理学、恒星物理学、太阳物理学、行星物理学、天体力学、天体动力学、宇宙学、宇宙化学、大爆炸宇宙学、天体测量学、实用天文学、天体演化学、天文史学、考古天文学。