X射線天文學

　　用X射線（波長0.01～100埃的電磁輻射）研究天體的一門學科。

　　發展簡況　天體的 X射線受到地球大氣的嚴重阻礙，主要利用衛星進行探測。因此，雖然 X射線的探測始於二十世紀四十年代，但是，成為一門學科，則是人造地球衛星上天以後的事。早期的觀測工作集中於太陽的研究。自從1962年6月18日美國麻省理工學院研究小組第一次發現來自天蠍座方向的強大X射線源以後，非太陽X射線天文學進入入一個新的發展階段。七十年代以來，發射瞭專門研究 X射線的天文衛星(如小型天文衛星系列)，觀測到許多先前不知道的宇宙X射線源，使X射線源的數目從十幾個猛增到一千多個。

　　太陽X射線天文學　太陽X射線的探測，主要弄清瞭它的三個成分：日冕高溫等離子體的連續輻射和其他譜線輻射，構成瞭X輻射寧靜成分；溫度在10⁶K以上的日冕凝聚區的超熱等離子體所產生的輻射，構成 X輻射的緩變成分，在日面上呈現為X射線亮斑（圖1）。太陽活動區所產生的X射線爆發，構成瞭X輻射突變成分。在日面上呈現為X射線耀斑（圖2）。

圖1　X射線亮斑

圖2　X射線冕洞

　　過去十年，太陽X射線測量的一個重要方面，是探測X射線爆發的能譜和偏振，著重於研究耀斑脈沖階段的高能天體物理過程，如高能粒子的起源、傳輸、能量的轉化以及發射的性質等等。目前已初步確立瞭 X射線輻射源的模型，這對耀斑物理的研究有重要價值。另外，已經研究清楚，太陽 X射線在形成地球電離層的過程中起重要作用。

　　X射線望遠鏡已具有角秒量級的高分辨本領，這就為深入研究太陽現象創造瞭條件。X射線耀斑和X射線亮斑的發現大大增進對太陽活動區的研究和認識。而 X射線冕洞的發現，更是太陽物理學的一項重大成果（圖3）。現在已經查明，X射線冕洞就是高速太陽風的風源，也就是日地關系研究中長期沒有弄清楚的M區。冕洞物理提出瞭許多有價值的課題，如冕洞的形成，高速太陽風源的成因等，特別是冕洞的剛性轉動傾向迄今還未找到滿意的解答。

圖3　X射線冕洞

　　非太陽X射線天文學　十多年來，非太陽X射線天文學發展特別迅速，取得重大的突破。在已發現的 X射線源中，有多種不同類型的客體，而目前隻有少量得到確切的光學證認。在星系和星系團中的強射電星系（如室女座 A等）和活動的塞佛特星系（如 NGC1275、NGC451等）均為著名的X射線源。室女星系團的最強X射線源延伸達1°，星系M87位於其中，估計每個星系的平均 X射線光度在10⁴⁴爾格/秒以上。作為河內的展源，超新星遺跡（如蟹狀星雲、仙後座A等）也是一類重要的X射線源（見X射線展源）。有些X射線源，光學證認為雙星的成員星，如半人馬座X-3、武仙座X-1、天蠍座 X-1、天鵝座X-1等等，它們的成員星之一是X射線星。按照現代X射線雙星理論，猜想這種X射線星是中子星或黑洞。

　　大量射電脈沖星的發現，誘導人們去探索X射線脈沖星的存在。隨著新的探測技術的發展，已有可能發現後一種脈沖星。1969年發現蟹狀星雲脈沖星PSR0532的X射線脈沖輻射，它和對應的光學脈沖幾乎有完全相同的周期。後來又發現瞭其他類型的 X射線脈沖星。這些發現對雙星演化過程的研究很有價值。

　　X射線天文觀測的另一類課題是關於彌漫X射線背景測量。幾乎是各向同性的宇宙X射線背景輻射的發現，被認為是六十年代X射線天文學的重大成就之一。

　　1974年以後的幾年中，英國“羚羊”5號(Ariel-5)及其他衛星相繼發現瞭宇宙X射線爆發和一批暫現X射線源，從而在宇宙中又揭示瞭一批前所未知的現象和新型X射線源，被公認為七十年代天文學的重大發現。這些過程所釋放的能量之大，能量釋放速度之快，貯能密度之高以及奇特的再現周期，迄今仍然是現代高能天體物理學的重大研究課題。

　　探測儀器　X射線天文學所采用的探測儀器隨X射線光子能量不同而有所不同。探測軟 X射線用薄窗正比計數器，常用鈹做窗材料，鈹窗的密封性能好，能保證儀器工作穩定，但鈹窗的厚度仍然限制著計數器對更低能量X射線的靈敏度。探測極軟X射線，要使用有機薄膜窗的計數器，但有機薄膜窗的氣體密封性不好。近年來在空間探測中發展瞭一種自動調節的流氣技術，保證計數器管內維持一定氣壓，使儀器的響應處於穩定可靠狀態。不過它的制造工藝和使用條件都較為復雜。

　　在非太陽X射線源的探測方面，為提高靈敏度，常常需要大面積的薄窗正比計數器。這種儀器的制造技術近年來發展較快。美國小型天文衛星“自由號”曾使用面積達840平方厘米、厚僅50微米的鈹窗正比計數器。

　　隨著X射線能量的升高，正比計數器將失去作用，它的探測上限約為60千電子伏。更高能量的探測，則須用閃爍計數器。

　　正比計數器和閃爍計數器本身沒有任何成像和定向功能。為瞭證認各種 X射線源和精確定出它們在空中的方位，必須在計數器前部加上準直器。這種準直技術近幾年發展特別迅速。目前廣泛使用的準直器類型有絲柵型準直器、板條型準直器和蜂窩狀準直器等。前者多用於軟X射線波段，後兩種用於硬X射線波段。此外，還有閃爍體構成的主動式準直器。

　　實驗 X射線天文學的一個突出成就，就是將掠射光學原理應用於X射線天文，使大面積X光聚焦成像技術成為現實，制成瞭真正有研究價值的高分辨本領的 X射線望遠鏡。它提供瞭把 X射線的探測區域擴大到更遙遠的宇宙深處的可能性。

　　X射線天文學從誕生時起，在近二十年的短暫時間內，發現瞭一系列前所未知的新型天體，獲得光學天文和射電天文無法得到的天體信息，大大地擴展瞭天文學的研究領域。X射線天文學所顯示的獨特威力，使得它在當代空間天文學中處於特別重要的地位。

　　

參考書目

　G.Setti and M.J.Rees，Non-Solar X-ray and Gammaray Astronomy，IAU Symp.，No.37，p.352，1970.