■王春艳、陈钢、王福和/文
■原标题《X射线在天体化学中的应用》
天体化学是介于天文学和数学之间的一门交叉学科，是20世纪自然科学发展的一个非常重要的分支。
现代天体化学的重要探测方法之一就是利用射电技术设备接收和研究宇宙天体的辐射。 这种辐射按波长可分为几个波段，如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。 根据观测到的电磁波波段，可分为光学天文学、射电天文学和空间天文学。
传统的观测是在地面上借助天文仪器进行的，由于射线在穿过大气层时被吸收，所以采用各种型号的飞行器在大气层上层或大气层内部空间进行探测。 20世纪下半叶以来，观测范围不断扩大，从可见光波段扩展到整个电磁波波段，空间天文学由此诞生。
目前，天文探测器可分为γ射线探测器、X射线探测器、紫外线探测器和近红外探测器。 中国将于2016年底发射硬X射线调制望远镜（HXMT）（编者按：HXMT将于2017年发射），其任务是定位和探测中子等发射X射线的高能天体恒星与黑洞射线的高能化学过程，将是中国天文卫星的零突破。 值此HXMT上线之际，本文将介绍最初的X射线检测，梳理已经上线的X射线探测器，最后给出X射线检测的含义。
1个
早期 X 射线检测
宇宙中的天体无时无刻不在放射着X射线。 天体中的 X 射线是从数百万甚至数千万度（绝对湿度）的热等离子体热发射的，或者是通过涉及高能电子的相对论过程发射的。 非热发射。 为此，X射线天文学的观测对象从低温天体和恒星（包括恒星中发生的高能化学现象：超新星爆燃、中子星和黑洞吸积物质）到宇宙学距离的类星.
最初的 X 射线探测始于德国空军研究实验室。 1929年，法国空军研究实验室提出在高空探测紫外线和X射线。 1948年，湖人号在新法兰西的白沙鱼雷试验场下水，首次探测到太阳辐射的X射线，发现太阳是X射线的强源。 X 射线来自太阳黑子和太阳耀斑，这些区域的温度可达数百万度。 这种辐射很难在太阳系外探测到。 随后，印度空军研究实验室多次进行星体探测以寻找太空中的X射线源，但均以失败告终。
英国空军研究实验室探测到太阳以外的X射线源后，人们开始怀疑太阳系外是否存在X射线源。 20世纪60年代，宇宙辐射X射线的探测有了新的发展。 当时，英国天体化学家贾科尼（R.）（见图1）和英国天体化学家罗西（B. Rossi）（见图2）认为天体中可能存在X射线源。 从那时起，两人合作设计了一种新型 X 射线望远镜，它借助锥形曲面镜收集辐射。 因此，贾科尼设立了另一个洛杉矶实验，以证明月球反射的太阳辐射中存在 X 射线。 而且尼克斯在高空飞行十公里的时候，虽然没有探测到月球反射的太阳X射线，但是却测到了来自其他地方的强烈X射线，从马刺号的圆形飞行轨迹就可以看出X射线的背景辐射渗透整个空间。
图 1 贾科尼 (, 1931-)
图2 罗西（，1905-1993）
这一意外发现促进了X射线天文学的形成和发展天体物理是什么，使人们能够借助标准光学方法进一步识别和确定X射线源。 他们确定，首次发现的X射线源是一颗远至人马座的紫外星，命名为X-1星座（其中X为X射线，1为序号）。 很快，又发现了其他X射线源，比较重要的有天鹅座X-1、X-2和X-3。 大多数这些新发现的 X 射线源都是双星，通常是一颗恒星围绕另一颗非常致密的恒星——中子星（甚至黑洞）运行。 来自外层恒星的二氧化碳流向密度更大的恒星，并被强大的引力场加速到极高的速率。 二氧化碳原子相互碰撞，但被中子星的表面磁场减慢速度，释放出强大的 X 射线。 这一发现为贾科尼赢得了 2002 年诺贝尔化学奖，并开创了宇宙 X 射线天文学。
2个
成功发射X射线天文卫星
X射线天文学的诞生极大地促进了空间天文学的发展，但由于马刺的探测时间紧迫，这些初期的研究很困难。 Laker 技术的进步使得月球大气层以外的研究领域得以发展，即利用卫星进行宇宙探测。
发射的第一颗探测宇宙 X 射线的卫星是 UHURU（UHURU（斯瓦希里语，斯瓦希里语中“自由”的意思）），是英国航天局一系列大型天文卫星中的第一颗。这颗 X 射线探测卫星是从马来西亚某基地，1970年12月12日进入轨道，最低点距地面560公里，近地点520公里，轨道角3度，每96分钟巡天一次，之所以命名为“乌呼鲁”，是因为发射当天恰逢马来西亚独立7周年，科技工作者利用“乌呼鲁”探测了包括X射线双星、星系团、超新星遗迹等在内的339个X射线源，并探测到X射线辐射弥散在致密X射线双星和星团，以及黑洞候选天鹅座X-1。“乌呼鲁”之后，一些国家投入大量资金改进X射线探测装置，发射X射线天文卫星。
“乌呼鲁”的检测准确率低于湖人队，甚至高出十倍。 Uhuru 上线一周后，收到的数据量低于之前所有检测数据的总和。
贾科尼还研制了一种更精确的X射线探测器，称为HEAO-II天体物理是什么，于1978年11月13日发射升空，发射成功后更名为“爱因斯坦X射线”，以纪念爱因斯坦诞辰100周年。 射线望远镜”。它是第一台聚焦X射线望远镜。前几年的X射线卫星带回了一些数字数据，“爱因斯坦天文台”装载了第一台探测X射线的成像装置。它的灵敏度和帧率极高，HEAO-II的发射目标是寻找新的X射线源和定位跟踪已知的X射线源（如天鹅座X-1），并在不久后带回了许多重要的新发现发射，如许多活跃的恒星（包括类星）是强大的X射线发射器，星团包含大量低温（千万级绝对湿度）等离子体等，因为技术水平已经大大提高，还记录到比X-1星座更高的X射线振幅，发出强百万倍的信号。“爱因斯坦X射线望远镜”的新发现，使科学家们能够研究X -射线双星更详细，其中一些是黑洞的候选者。 科学家们还分析了超新星的遗迹，特别是星团中恒星间大气的X射线辐射，这有助于科学家发现宇宙中存在暗物质，并确定宇宙中暗物质的含量。
爱因斯坦 X 射线望远镜
1976年，贾科尼还研制出越来越先进的X射线探测器，但体积庞大，并于1999年7月23日发射升空。该探测器最初命名为“先进X射线天体化学设施（AXAF）”（见图4） ). 发射前一年，为纪念著名化学家钱德拉塞卡（S.）而发射（见图5），并更名为“钱德拉”（ ）。
图 4 钱德拉
图 5 钱德拉塞卡 (, 1910-1995)
俄英天体化学家钱德拉塞卡因其在白矮星方面的工作而获得 1983 年诺贝尔化学奖，其中包括著名的钱德拉塞卡极限。 AXAF的探测任务是“观测宇宙中温度高达百万度、运动速度接近光速的区域天体的高能活动，大到太阳系的彗星到遥远的星星般的星星。”
与光学望远镜（如哈勃望远镜）相比，“钱德拉”的成像性能和光谱分析性能在当时是最高质量的，但可以进行定点跟踪观测，发回的图像有很多新的物质的组成、星系爆炸的成因等发现，极大地推动了对宇宙结构和演化的研究。 在带回的第一批照片中，有一张非常清晰的超新星残骸仙后座A的图像，让天文学家第一次看到超新星残骸中心的脉冲星，解决了很多人对超新星爆炸的疑问.
贾科尼的发展工作极大地提高了观测水平，他们的研究工作极大地改变了目前对宇宙的看法。 20世纪中叶，宇宙稳定不变的观点占据了主流地位，星辰之间处于平衡状态，宇宙的演化是顺畅的。 明天的观测表明，从X射线天文学的发展来看，宇宙中释放出大量的能量，很多恒星比月球小很多，但它们的质量却大得惊人，也就是说，这么小的星球大得惊人。 对这类天体及其演化过程的研究大多得益于X射线天文学的研究。
迄今为止，世界上已经成功发射了多颗X射线天文卫星，我们将成功发射的X射线天文卫星列于表1。
1970年代，韩国发射了8台X射线探测器，其中包括“乌呼鲁”和“爱因斯坦天文台”两个标志性天文台； 日本还成功发射了三颗X射线天文卫星； 70年代末，英国也成功发射了第一颗X射线天文卫星“天鹅号”。
在 20 世纪 80 年代，一些国家的科学经费急剧增加，以至于在 1980 年代只发射了三颗 X 射线卫星。 在 1970 年代占主导地位的英国没有发射任何导弹。 原因是德国的资金主要用于大型天文台项目，例如探测可见光的哈勃太空望远镜和探测伽马射线的康普顿伽马射线天文台。 、探测X射线的钱拉德X射线天文台、探测红外光谱的斯皮策太空望远镜，都是1990年代后发射的。 美国虽然在1983年5月26日发射了主力意大利航天局（简称欧空局），但其X射线卫星的单次发射也以阿里尔六号告终。 其余两颗由美国发射，分别是1983年2月20日发射的天马（Tenma）和1987年2月5日发射的银河（Ginga）。虽然80年代发射的X射线卫星很少，但进步很大. 他们的探测活动极大地加速了X射线天文学频域分析和谱分析的研究，推动了X射线天文学的进步。
20世纪90年代，只有英国独自发射了X射线卫星。 除了AXAF，日本还推出了漫射X射线光谱仪（DXS）和罗西X射线定时探测器（RXTE）。 此外，还有联合研制的伦琴X射线天文卫星（简称ROSAT，参与国为日本、英国和爱尔兰；见图6）、“明日香”（参与国美国和加拿大）和（参与国捷克共和国和斯洛伐克），以及欧空局研制的“牛顿”X射线天文台卫星。
图6 伦琴X射线天文卫星
伦琴X射线天文卫星（ROSAT）是HEAO-II的改进型，搭载了美国研制的比HEAO-II的X射线成像望远镜更大的X射线成像望远镜（XRT）。 三台聚焦装置中有两台俄罗斯研制的位置敏感逆计数器（PSPC）和一台日本研制的高帧率成像（HRT）装置，以及一台美国研制的紫外望远镜（由法国航天局发射） 1990 年 6 月 1 日）。 ROSAT的探测任务是全天扫描探测和选定X射线源的局部探测。 选定的目标由三个国家共同决定。 最后对选定的目标源进行位置检测。 除了发现贾科尼还在寻找地球反射的X射线外，还发现温度极低的彗星也会辐射X射线； 详细形态、暗中子星检测、中子星脉动周期等。
进入21世纪，俄罗斯成为发射X射线卫星的主力军。 一是与法国联合研制的“朱雀号”（Astro-E2）于2005年7月10日发射升空。2016年2月12日，第六颗X射线卫星ASTRO-H升空（见图7）。 ASTRO-H由美国和英国的多家机构联合开发。 它配备了两种采用尖端技术开发的X射线望远镜和四台用于接收X射线的测量仪器。 安装的软X射线光谱仪可以分辨数万计的X射线“颜色”，还可以拍摄高清图片，可以大大提高对X射线物体的认识。 卫星传回的数据有利于了解宇宙的演化过程，比如研究巨大的黑洞是如何生长的，验证超高密度和超高磁场下的化学现象等极限态。 但不幸的是，卫星与地面失去了联系。 尽管英国仍然没有放弃尝试恢复与卫星的通信，但并未成功。 此后只能转而调查车祸原因。
图 7 ASTRO-H
3个
X射线检测的意义
从以往的X射线天文卫星和传回的数据来看，X射线天文学已经逐渐走向破译低温高能天体和产生一些低温高能化学现象，而新兴的X射线天文学逐渐成熟。
20世纪60年代，太空望远镜即天文卫星的发展，使天文学从射电天文学转向空间天文学。 明天，天文学已经进入空间天文学的多波段天文学时代，而X射线天文学是全波段天文学的重要组成部分，因此天体X射线辐射的探测意义重大。
X射线天文学的核心问题是引起源X射线辐射的化学过程。 科学家研究这一化学过程以破译恒星的演化和宇宙的起源。 因此，目前的X射线天文观测包括新X射线源的探测、源位置的确定、源大小和结构的观测、离散源和漫射背景辐射的探测以及X射线源变化的研究。 通过探测天体中的低温高能恒星和恒星演化的最终产物、白矮星、中子星、黑洞等，进而对这些来源的位置进行研究，如探测极端化学致密星的低温强磁场等过程，通过这项研究进一步破译恒星演化、宇宙起源等问题。
最后，由中国科学技术大学高能化学研究所研制的新型X射线天文卫星正式发射升空。 作者预祝发射成功，科学检测工作圆满完成，以促进我国科学技术的发展。
资料来源：《现代数学知识》2016,28(6):60-64。