推陈出新，X射线天文卫星追寻宇宙更多奥秘

1月9日，我国成功发射爱因斯坦探针卫星，这是我国首颗大视场X射线天文卫星。那么，X射线天文卫星有哪些用途？纵览各国X射线天文卫星，应用了一系列先进技术，取得过诸多代表性成果。未来，X射线天文卫星会如何发展呢？

宇宙中的X射线辐射源效果图

为什么要使用卫星携带X射线探测器呢？这主要是因为X射线会被地球大气吸收、干扰，地面观测不易，科学家有必要将X射线探测器发射到高层大气中。早期，科学家利用气球或探空火箭携带X射线探测器。然而，气球需要依赖大气浮力，运行高度有限，而且无法避免大气对X射线的削弱作用。探空火箭飞行时间很短，不能长期跟踪X射线辐射源。综合来看，X射线天文卫星成为探测外太空X射线事件的最佳平台。

20世纪60年代，各国已有若干颗卫星检测到宇宙中的X射线，但这普遍是核爆炸探测卫星的“附带任务”。第一颗专用的X射线天文卫星则是1970年12月12日升空的美意合作项目“乌胡鲁”。

这颗卫星在运载火箭弹道和发射地点的选择上颇费周折。由于南大西洋存在一个辐射异常区，而“乌胡鲁”探测X射线的高能物理仪器比较敏感，必须规避该区域。最终，火箭在非洲肯尼亚外海平台上发射升空，将卫星送入倾角仅3.03度的轨道。

“乌胡鲁”在轨运行2年多时间里，进行了首次全天区X射线观测，检测到339个X射线辐射源，包括双星组合、超新星遗迹、活动星系核和星系团等，将X射线天文学向前推进了一大步。

受到“乌胡鲁”所获成就的鼓舞，X射线天文卫星发展迎来了一波高潮。比如，美国宇航局陆续发射了3个“高能天体物理实验室”（英文简称HEAO）。其中，HEAO-1任务勘测并绘制了X射线和伽马射线源天球图，精确定位诸多X射线辐射源，并测量了其能量大小、随时间变化程度、对宇宙背景的影响等。

HEAO-2任务则是美国宇航局首个专门的X射线探测任务，发射了世界首台能够实现成像的X射线空间望远镜，称为“爱因斯坦天文台”。该探测器增加了反作用飞轮，以便在宇宙X射线事件发生后1分钟内迅速指向辐射源。通过首次对超新星遗迹进行高分辨率光谱学和形态学研究，HEAO-2任务解决了邻近星系、仙女座星系、麦哲伦星云许多与X射线辐射源相关的问题，又首次研究了星系和星系团中的X射线辐射气体等。

此外，20世纪70～80年代，苏联、日本、印度等国开展了一系列X射线探测计划，美苏早期发射的空间站上也配备了X射线空间望远镜。

所谓“掩星模式”，就是卫星以月球或地球作为掩星体，根据自身与月球或地球的相对位置，精确测算、识别X射线辐射源，观测其结构特征。而在任意指向模式下，卫星可以在从数十微秒到数十小时的时间尺度上确定X射线辐射源的强度变化。通过灵活运用不同观测模式，欧洲X射线天文台卫星在低质量X射线双星、X射线脉冲星等领域取得了不少成果，其升级需求又促成了旗舰级项目“牛顿”X射线空间望远镜。

1999年底，这个旗舰级项目由阿里安5火箭发射升空。它的主要任务是对星际X射线辐射源进行不同范围的光谱分析，首次对X射线辐射源进行了X射线、可见光和紫外线同步成像，获取了距离地球上百亿光年外的星系团宝贵信息，首次测量了超大质量黑洞自转速率。

美国“钱德拉”X射线天文台是该领域的旗舰级项目

同样引发关注的是美国旗舰级项目“钱德拉”X射线天文台（英文缩写CXO）。1999年7月23日，CXO由航天飞机和惯性上面级部署入轨，全长13.8米，翼展19.5米，发射质量达到5860公斤。借助直径1.23米的镀铱层X射线望远镜，CXO排除辐射光子干扰，观测到超新星遗迹、脉冲星、黑洞、中子星和热星系团等高能区域的X射线状况，尝试揭示恒星、类星体乃至宇宙演化过程。

其实，研究X射线的航天器不必“贪大求全”。美国宇航局的“核光谱望远镜阵列”只有350公斤，在2012年6月由飞马座空射火箭送入轨道。它采用掠射镜，拥有一条长达10.2米的展开式悬臂，提供了10.15米焦距。它获取的图像表明，中子星M82X-2的辐射强度远高于“按照当前物理原则”可发出的辐射，从而收获了天文学上罕见的超亮X射线辐射源。

2021年12月9日，美意合作的X射线成像偏振探测器被发射到倾角0.2度轨道上，仅有330公斤，配备3个并列安装的4米焦距掠射镜，尝试绘制黑洞、中子星、脉冲星、超新星遗迹、磁星、类星体和活动星系核的磁场图，揭示其物理性质及高温环境。

X射线天文卫星也不乏挫折，巧合的是，多与日本有关。2000年，日本ASTRO-E天文卫星升空，搭载了原计划用于CXO的X射线光谱仪。可惜火箭喷管破裂，卫星损毁。后继者ASTRO-E2卫星于2005年7月10日成功入轨，其携带的X射线光谱仪2号成为首台入轨的微量能器，可提供极高的光谱分辨率。可惜该卫星入轨19天后，这台光谱仪因故障失效。

接下来，美国、日本和欧空局合作开展新的旗舰级X射线天文学任务ASTRO-H，同样应用了先进的X射线光谱仪。2016年2月17日，这颗卫星被命名为“瞳”，准确入轨。然而，3月25日，惯导装置误报该卫星正在进行实际上不存在的旋转，于是飞控计算机启动姿控发动机“补偿”旋转，反而加剧了卫星自转，最终导致次日卫星因角速度过大而失控碎裂。

最新的尴尬案例是，2023年9月6日，美日欧合作的X射线成像光谱任务探测器与SLIM月球着陆器一起升空。该探测器是ASTRO-H任务的“重置”，可惜入轨后遭遇保护滤镜难以打开等异常，势必将影响观测效果。

爱因斯坦探针卫星在轨效果图

值得一提的是，“爱因斯坦探针”在国际上首次大规模应用“龙虾眼”微孔阵列聚焦成像技术。所谓“龙虾眼”，就是构建大量方形横截面孔隙，模仿龙虾眼结构排列，以便将X射线汇聚，显著改善观测视野，从而“捕捉”稍纵即逝的X射线瞬变源。

虽然大视场X射线巡天有助于实现广阔天区观测，但也不能依赖探测器“单打独斗”，更可行的方法是组建探测器阵列。

据公开资料显示，中国科学院高能物理研究所提出了CATCH“全变源追踪猎人星座”计划，计划由126颗微型卫星组成X射线观测星座，努力“刻画”极端宇宙多参量动态全景。

未来，每颗卫星都将配置具有聚焦成像能力的紧凑型轻量化X射线空间望远镜。通过智能化控制，卫星各司其职，追踪观测某个或数个X射线辐射源天体，上百颗卫星“携手”就能实现对海量目标的无死角、不间断监测。此外，众多卫星可以组成大视场或高精度空间望远镜星座，合理应对引力波爆发等重要目标。

技术进步正在推动更宏伟的X射线探测项目。清华大学提出“宇宙热重子探寻计划”，希望利用配备极低温微量能器的X射线空间望远镜，也就是具备大视场、高效率、高分辨率的X射线成像卫星，探测宇宙大尺度纤维状结构及星系周物质分布，致力于发现宇宙中“缺失”的物质，争取在星系形成与演化理论领域收获突破。

目前，国外也在推进新一代X射线空间望远镜项目。比如，美欧加合作的LynX先进X射线天文台将采用大口径镜头和最先进的光电探测器，号称图像清晰度将“超越哈勃空间望远镜千倍”，设计寿命达20年，未来将探索更加黑暗、深远的宇宙。