錢卓X射線太空觀測衛星  

 

 宇宙中有各種不同溫度的天體,其中超過100萬~10億度的極高溫天體例如爆炸的恆星、星系團與黑洞周圍的物質等會放射出具有高能量的電磁波X射線。藉由觀測X射線能夠看到可見光所無法觀測到的超高溫宇宙。美國NASA的錢卓拉太空望遠鏡的特色是能夠分辨細點的高空間解析能力能夠拍攝到極為鮮明的圖像。由麻賽諸賽州劍橋的"史密森恩天體物理天文台"(Smithsonian's Astrophysical Observatory)操作管理錢卓拉太空望遠鏡,處理資料並且分配給世界各地的科學家進行分析。

錢卓拉X射線太空觀測衛星之前稱為"先進X射線天體物理設備"(AXAF),在1999年由NASA的哥倫比亞號太空梭發射,之後以印度裔的天體物理學家Subrahmanyan Chandrasekhar來命名(紀念他計算出白矮星最大質量使人類對中子星和黑洞等高能量天文現象有更深入的了解)。錢卓拉的高角解析度反射鏡讓其比之前任何X射線太空望遠鏡靈敏100倍以上。由於地球大氣層會吸收掉絕大多數的X射線,所以地面上的望遠鏡無法偵測到X射線;因此以太空觀測衛星來捕捉X射線是必須的。錢卓拉以64小時繞行地球一圈,是世界上最大的X射線望遠鏡,哈伯、史匹哲與康普頓則分別是最大的可見光、紅外線與伽馬射線太空望遠鏡。

 

  1976年Riccardo Giacconi與Harvey Tananbaum提出錢卓拉太空望遠鏡(當時稱為AXAF)計畫給NASA。隔年馬歇爾太空飛行中心(MSFC)與史密森恩天體物理天文台(SAO)開始前期工作。同時在1978年NASA發射了第一顆X射線太空望遠鏡"愛因斯坦"(HEAO-2)進入軌道。AXAF計畫項目在20世紀80年代~90年代持續地進行。 1992年為降低成本太空船進行重新設計。原本計畫的十二個酒桶形(圓柱形)反射鏡有四個被取消,六個科學儀器中也有兩個被剔除。 AXAF的預擬軌道也被改成橢圓形軌道,在其最遠點達到地球與月球距離的三分之一。這也讓太空梭無法改良或修理錢卓太空望遠鏡,但其大部分的軌道位在"范艾倫輻射帶"(Van Allen belt)上方。 AXAF由Northrop Grumman Aerospace Systems在加利福尼亞州雷東多海灘進行組裝和測試,重量約4.8公噸,鏡面直徑1.2公尺、焦點距離10公尺。軌道為近地點高度10000公里遠地點140161公里椭圓軌道,為此主要進行低地球軌道任務的太空梭需要在非加壓艙上多裝設一具由波音公司為米國空軍開發重量14.7公噸的"慣性上面級火箭"(Inertial Upper Stage;IUS)把太空望遠鏡送到較高的軌道。 

 

 X射線不會以可見光那種方式被反射鏡反射,因為X射線是高能量的光子,其直接撞擊反射鏡後會穿透鏡面,這大致上跟垂直瞄準地面發射子彈一樣,子彈將被埋在地表下。還有當子彈以掠角(較淺的角度)往地面發射時,子彈將彈離地面。所以X射線在很淺的角度撞擊反射鏡將會被彈離。這就像把一塊石頭以較淺的角度往水面丟,石頭將跳躍穿過池塘水面。這個特性意味著X射線望遠鏡與可見光望遠鏡有很大的不同,X射線光子進入望遠鏡後必須幾乎平行地切過鏡面而可見光光子進入望遠鏡後則被鏡面反射。因此不像可見光望遠鏡採用簡單鍍鋁拋物面反射鏡,X射線望遠鏡通常採用"沃爾特"(Wolter)望遠鏡,這是由拋物面鏡與塗銥/鍍金雙曲面鏡成對構成的酒桶形(圓柱形)反射鏡。錢卓拉的"高解析反射鏡組件"(HRMA)把反射鏡做成類似酒桶型的"鏡子殼"共嵌套四圈(八個反射鏡)來增加望遠鏡的總反射。望遠鏡內的反射面必須被精確地製作,讓進入的X射線幾乎與之平行。反射鏡聚集X射線光子到電子檢測器上讓其記錄光子位置與某些能量事件,然後這些X射線資料被進行分析並重建成產生放射能量的天體圖像。而傳統望遠鏡光線被收集和聚焦在一點的方式是天體放射來的可見光光子進入望遠鏡,被拋物面鏡反射並被收集在焦點上。反射鏡的面積越大焦點上的圖像就越明亮。事實上這種集(聚)光功率,才是使用望遠鏡的主要理由,而不是要“放大”任何特定物體的能力。這也是天文學家不斷尋求建造更大的望遠鏡的原因;以這種方式從昏暗與遠處物體發出的可見光都可以被收集。不幸地X射線光子並不會像可見光光子一樣有令人滿意地反射。因為這些光子是高能量的,它們會被鏡面吸收而不會反射,所以我們無法使用反射鏡收集和聚焦來自遠處的X射線。搭載儀器方面錢卓拉太空望遠鏡裝設的"整合科學儀器模組"(SIM)擁有"先進感光耦合元件成像光譜儀"(ACIS)和"高解析相機"(HRC)兩部儀器,要指定哪個儀器觀測時才移動到焦點面上。ACIS由10個感光耦合元件組成,並提供圖像以及被觀測物體的光譜資訊。高解析相機有兩個微通道板組件,具有16微秒的時間分辨率。兩部儀器在使用時也可以與望遠鏡的傳輸光柵結合使用,透過傳輸光柵的擺動可改變反射鏡後方光的路徑,提供錢卓拉太空望遠鏡高解析光譜。

 

傳統光學望遠鏡反射鏡將無法反射X射線

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反射鏡在X射線望遠鏡裡的配置方式,讓X射線以很淺的角度切過反射鏡彈向焦點。

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錢卓拉X射線太空望遠鏡使用8個酒桶型反射鏡來提高總反射。

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距離地球大約五千光年的薔徽星雲如果利用可見光拍攝看起來很像薔徽的花朵,所謂星雲是指形貌彷彿雲朵的氣體及微塵的團塊,上圖是把可見光的觀測資料與錢卓拉拍攝的X射線(紅色)觀測資料加以合成而得。整張圖像的寬度大約87光年,錢卓拉的特長之一在於能夠分辨細點的高超能力(具備高空間解析力)。錢卓拉發揮這項能力而在薔徽星雲中首次偵測到100個以上剛誕生不久的年輕恆星。恆星是由氣體聚集而誕生,圖像中的紅點即為被觀測到的年輕恆星由於年輕恆星的表面發生巨大爆炸因而放射出大量X射線所以才會被錢卓拉發現。

rosette nebula  

 

 

從星系團Hydra A噴出的噴流(粉紅色 甚大電波陣列VLA的無線電波觀測)與高溫氣體(淡藍色 錢卓拉的X射線觀測)圖像中也合成了可見光(加法夏望遠鏡)的觀測資料,錢卓拉的觀測顯現了高溫氣體(淡藍色)被噴流推送出去的景象,這些高溫氣體可能是周圍氣體被暗物質(具有重力但電磁波偵測不到的不明物質)的強大重力吸引拉扯再一起而濃縮的結果,因而被加熱溫度達到攝氏1000萬度左右。噴流是從星系團中心的超大質量黑洞噴出來的,黑洞在吸進周圍物質的同時也會把沒有被吸入的那一部分以猛烈之勢釋放出來而成為噴流的現象。進一步觀測噴流氣體所放出的X射線發現其中含有大量的鐵和其他金屬。這些金屬可能是星系團中心發生Ia超新星爆炸所製造出來產物。

 Hydra A  

 

錢卓拉觀測距離地球大約1270萬光年的星系NGC7793邊緣的微類星體S26(micro-quasars),微類星體是在遙遠星系內能量強大的類星體縮小版,所謂恆星質量黑洞是指質量約為太陽數倍左右的黑洞,藉由錢卓拉觀測拍攝到從該黑洞往上下方噴出的噴流以及其周圍氣體因而被加熱的模樣。左圖白框內綠色的部分為黑洞,紅色與黃色部分是被噴流加熱的高溫氣體,觀測到的高速噴流長度約達1000光年是截至目前為止所觀測到的相同噴流中規模最大的一個。左圖是把錢卓拉的X射線觀測資料(紅、綠、藍色)與可見光的資料(智利的甚大望遠鏡VLT觀測 藍色)、Halpha(氫發出的可見光,利用位於智利的CTIO 1.5公尺望遠鏡 黃色)的資料合成而得。右上圖是把白框放大,只有X射線顏色相同,中心的藍綠色部分為恆星質量黑洞由該處往斜上下方噴出噴流,右上的紅色到黃色部分與左下的黃色部分是被噴流加熱的高溫氣體。

NGC7793  

 

下圖是位於室女座方向上距離地球大約22億光年的巨大星系團,無數個淡橙色點都是星系,依據可見光(白色和黃色)及X射線(紫色)的資料合成的圖像。布滿空間的則是大約1億度的高溫氣體,調查放射出的X射線高溫氣體的性質求出把它封閉起來的重力。由於整個星系團的巨大重力發揮透鏡的作用把位在Abell 1689背後原本應該不會顯現的星系的光聚集起來,結果位於大約128億光年遠處的星系變成細長扭曲的形狀出現在各個角落。根據這些扭曲情形可以計算出Abell 1689內的質量分布。

Abell 1689.jpg  

 

 

太空梭飛到低地球軌道後打開非加壓艙讓一具上面級火箭(印有USA字樣與米國國旗)把錢卓拉太空望遠鏡運送到較高的軌道上。  

Chandra_X-ray_Observatory_inside_the_Space_Shuttle_payload_bay.jpg  

 

 

 

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