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Sandbox Physics
恒星与看天空的新窗口

天文 · 宇宙学 · 引力

一枚火箭发现了异常明亮的 X 射线天空

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飞到大气上方的短短几分钟,怎样揭示了一类新的天体?

  1. 把计数器送到吸收层上方
  2. 随火箭旋转比较计数
  3. 找到偏离月球的强源
  4. 发展巡天与聚焦望远镜
1962 年 6 月先用计数器发现太阳系外的源,随后才有掠入射成像与卫星巡天;Giacconi 在 2002 年获奖。

原先想看的目标是月球

当地时间 1962 年 6 月 18 日深夜,一枚 Aerobee 火箭从美国新墨西哥州白沙发射场升空,带着三台辐射计数器。Riccardo Giacconi、Herbert Gursky、Frank Paolini 和 Bruno Rossi 想找太阳照射月面后激发的 X 射线,也想顺便寻找夜空里的其他源。最强的信号却来自另一个方向,后来被命名为天蝎座 X-1。

这个源在肉眼看到的星空里毫不起眼,在 X 射线里却异常耀眼。光学望远镜按可见光把天体排出亮暗,换成能量高得多的 X 射线光子,同一片天空便排出了另一种顺序。有些天体把大量能量释放在肉眼看不见的波段,新仪器找到了观察它们的办法。

来源:[1][2][4]

先越过挡住信号的空气

地球大气会吸收来自太空的 X 射线。在地面望远镜旁边安放更灵敏的探测器,仍然看不到被空气挡住的信号,必须先把仪器送上高空。火箭最高到达约 225 千米,在 80 千米以上停留约 350 秒,能用来观测的时间还不到六分钟。

载荷里的 Geiger 计数器装着气体,辐射在里面沉积能量,就会触发电脉冲。薄云母窗允许 X 射线进入,厚薄不同的窗又提供了比较吸收强弱的机会。三台计数器里,两台正常工作;另一台出现放电异常,团队在分析中舍弃了它。

来源:[1][5]

火箭一转,计数器就扫过一片天空

火箭每秒大约自转两圈,计数器跟着扫向不同方向。光学传感器记录姿态,研究者才能把每个电脉冲归到它到来时的朝向。仪器没有拍出照片,反复转过同一个方向时,计数却可以一次次升高,指出那里有一个强源。

把计数按方向画出来,最明显的峰偏离月球,两台正常仪器都看到了它。峰外仍有信号,提示还有更广的背景辐射。计数器视野很宽,也没有用机械准直器收窄,最初的观测还不能精确定位,更无法立刻认出对应哪一颗可见恒星。更准确的位置要等后续观测;太阳系外存在强 X 射线源,已经清楚地显现出来。

视野窄,仪器一次只收一小片天空的光,位置就比较容易判断。最初计数器把很宽角度内的光混在一起,能随转动找到强峰,却很难指出峰里究竟藏着哪个天体。要认出光学伴星,还需要把位置测得更准。

来源:[1][2][3]

窗的厚薄帮助辨认信号

高能带电粒子也会触发计数。团队在周围安排其他探测器,剔除许多带电粒子同时穿过所造成的事件,再比较两台正常工作的 X 射线计数器。云母窗厚度不同,读数响应也明显不同;加上集中在某个方向的强峰,支持了这种容易被云母吸收的信号属于较低能量 X 射线。团队在 1962 年 12 月发表结果,靠仪器对辐射的不同响应,解释了天空里那个意外的峰。

来源:[1]

多看一会儿,才知道天体在做什么

火箭只能匆匆看几分钟,卫星可以反复观测一个源,追踪它的变化,也能巡视更多天空。1970 年发射的 Uhuru 迈出了这一步,用比例计数器和受限视野寻找天体。比例计数器同样装着气体,但电脉冲大小还与沉积能量有关。一次次回访带来了短暂飞行难以提供的位置与时间变化。

这些观测帮助人们认识了一批含致密星的双星系统。伴星的气体受引力吸引,向致密星落下,升温、减速,把引力能释放出来。这个流入过程叫吸积,小小一片区域也能发出很强的 X 射线。天蝎座 X-1 后来被认识为含中子星的这类系统。气体下落释放引力能,让它在 X 射线里耀眼发光;普通恒星则主要靠内部核燃烧供能。

来源:[3][4][5]

拍出图像,还得换一种装置

数到 X 射线和把它聚成图像,是两件事。X 射线正撞镜面时通常会被吸收,擦着表面掠过时却可能反射。把镜面加工成特定曲面,再一层层套起来,便能用掠入射反射把光子引向焦点。1963 年,火箭实验先用这种光学系统拍摄太阳;1978 年发射的 Einstein 天文台把大型聚焦光学带进宇宙 X 射线观测。

2002 年诺贝尔物理学奖表彰 Giacconi 对发现宇宙 X 射线源所作的开创性贡献。这段历程先有计数峰,后来才有精细图像。人们先在天空里发现意外的强源,再逐步看清它们在哪里、怎样变化、靠什么发光。

来源:[5][6][7]

来源与阅读说明

  1. Giacconi, Gursky, Paolini and Rossi (1962), Evidence for X Rays From Sources Outside the Solar System

    439 页介绍装置与飞行,图 1 画计数与方位角;窗厚响应和方向变化共同支持 X 射线解释。

  2. NASA HEASARC, Early Observation of Sco X-1

    1962 年发现与 1966 年更精确定位是两步;页面所示扫描图来自 1967 年。

  3. Royal Swedish Academy of Sciences (2002), Advanced information on the Nobel Prize in Physics

    图 7—8 介绍火箭载荷与计数,卫星部分接着说明 Uhuru 巡天和致密双星解释。

  4. Giacconi (2002), The Dawn of X-Ray Astronomy

    沿着早期计数器、Uhuru 到聚焦天文台的发展阅读,并留意引力能释放的作用。

  5. Chandra X-ray Center, History of X-Ray Astronomy

    掠入射镜原理、1963 年太阳成像与 1978 年 Einstein 天文台,帮助分清聚焦成像与计数。

  6. Center for Astrophysics, Einstein Observatory

    天文台以掠入射光学与灵敏成像探测器,扩展宇宙 X 射线观测。

  7. Nobel Prize in Physics 2002, official summary

    Giacconi 的宇宙 X 射线源贡献获得一半奖项,Davis 与 Koshiba 的中微子贡献获得另一半。

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