从一枚婚戒与一枚V-2导弹说起：小火箭简述人类用X射线了解宇宙的历史
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共6870字，65图。预计阅读时间：45分钟。
以X射线观察宇宙，人类发现宇宙不再像肉眼所见的那样祥和与寂静。黑洞的巨大引力撕碎了临近的恒星，在那惊天动地的过程中，恒星与黑洞爆发了响彻霄汉的嘶吼，穿越数亿光年的距离来到地球附近。
不过这个过程非肉眼凡胎可见，目前只能以X射线的形式被相应的探测器感知到。否则就只好借助艺术家丰富的想象力了。
而星系的碰撞与交融、超新星的爆炸与中子星的诞生，这些宇宙中荡气回肠、波澜壮阔的场景，都仰赖X射线天文望远镜来观测。
小火箭在本文，从一枚婚戒与一枚V-2导弹说起，简述人类用X射线了解宇宙的历史。
婚戒
X射线的发现本身就具有重大的科学意义。小火箭在这里要强调的是：世界上第一个诺贝尔物理学奖就是颁给了X射线的发现者伦琴博士。
1895年11月8日，伦琴博士在进行阴极射线实验时，偶然发现了在涂有氰亚铂酸钡的屏上发出了微光。此时已经是德国维尔茨堡大学的校长的他经过审慎研究，得出了这是一种尚未被世人所知的新的射线。
当周围的人都建议伦琴博士用伦琴来命名这种射线时，他坚决推辞，并把该射线取名为X，这就是X射线这个名字的来源。威廉·伦琴，这位纺织商人的儿子，这位小时候因为淘气地画老师的漫画家而遭到开除的学生，这位治学严谨的博士，这位淡泊名利的校长，把X射线的知识带给了人类。
有关X射线成像的最有名的片子，莫过于伦琴博士的媳妇儿的婚戒照片了。
1895年12月22日，快要过圣诞节了。这时，已经是深夜了，50岁的伦琴博士晚上只吃了少许面包就又钻回实验室做研究。气呼呼的贝鲁塔（伦琴博士的媳妇儿）抱着一堆食物赶到实验室来督促丈夫吃晚饭。
伦琴博士的眼睛闪闪发亮，开心地像个孩子：“亲爱的，我发现了一种神奇的射线，可以穿透2米的空气，甚至能穿透你拿的那本厚书！”
然后，贝鲁塔将信将疑地将自己的左手放在感光屏幕前面，拍下了这样在人类技术史上有着举足轻重地位的照片。照片中的无名指上的那个大阴影就是伦琴博士给她的婚戒。这是人类获得的第一张X射线成像照片。
这是1896年1月23日，也就是那张具有划时代意义的X照片拍摄后1个月，伦琴博士领着媳妇儿来到实验室补拍了一张更加清晰的贝鲁塔的左手X照片。
长期以来，人类用X射线的穿透性来进行医学成像诊断，进行工业制成品的探伤以及进行晶体结构的研究。后来又发展出了X射线摄影艺术这样一个领域。
导弹
而1948年的一次导弹试验，彻底打破了X射线的应用局限，开始开创一个崭新的学科：X射线天文学。
战后不到一年，美国就利用带来的零部件和资料图纸，在德国工程师的协助下，成功装配了80枚V-2导弹。
这些导弹被用于各种各样的用途，为导弹弹道学、导弹制导原理甚至轨道动力学和载人航天等学科领域做出了重要贡献。
上图为用V-2导弹携带的照相机拍摄的人类工程技术史上第一张从太空拍摄的地球的照片。（小火箭坚持加上人类这个定语，因为在公元1947和1948年之前，或许外星人早就拍过地球的照片了。）
1948年8月，美国海军实验室的工程师们把一枚V-2弹道导弹运到了位于新墨西哥州的白沙导弹靶场（有关该靶场的故事，小火箭会在后续文章中详细介绍）。
这枚V-2弹道导弹并不是用来做军事试验的，而是一次为了科学的探索和尝试。该导弹安装了传说中的盖革计数器。（我们能够在有关核爆炸、太空探索等内容的电影中看工程师拿着的那种可以吱吱叫的探测辐射的仪器。盖革计数器最初是在1908年由德国物理学家汉斯·盖革和著名的英国物理学家卢瑟福在α粒子散射实验中，为了探测α粒子而设计的。后来在1928年，盖革又和他的学生米勒对其进行了改进。）
公元1948年8月5日12点07分，这枚V-2导弹发射了。
这枚带着盖革计数器的V-2导弹发射顺利，成功突破了卡门线，弹道最高点达到了167公里。她带回来的探测结果更是让人振奋：盖革计数器瞄准了太阳，而计数器探测到了X射线并忠实地做了记录。这是人类首次进行以X射线为测量手段的天文观测，证明了太阳是一个X射线辐射源。
人类知道了用X射线来观测太空是能够得到结果的，从此一发不可收拾，以X射线为观测手段的天文观测新学科就此启航。
这是一枚1951年1月18日发射到外太空然后坠入美国新墨西哥州白沙导弹靶场的科学研究用V-2弹道导弹。
太阳
文艺青年眼中的落日景象
叠加了X射线天文图像的工程技术人员眼中的太阳的样子。
太阳是人类首个用X射线天文学的手段观测的恒星（没办法，太阳是离地球最近的恒星嘛）。
意大利人
1962年6月18日，美籍意大利裔天文学家里卡尔多·贾科尼等人发射了一枚Aerobee探空火箭。弹道最高点预计为150公里。
这枚火箭上面有三个盖革计数器，利用X射线穿透的窗口厚度不同，可以记录下光子的能量，同时利用火箭自身的旋转确定X射线源的方向。原本，贾科尼想着是用这枚火箭观测月亮的X射线辐射。
毕竟，太阳已经被一群美国本土科学家用V-2导弹观测过了。想要再拿个第一，给意大利人赢得荣誉的话，观测月球是最方便的途径了。
结果，这枚探空火箭打歪了，没能让探测器瞄准月球。心灰意冷的贾科尼看到歪歪的弹道数据，不得不接受了这命运的戏弄。
但是，他还是按科学的方法认认真真地处理了这枚火箭探测到的数据。这一看可不得了！火箭没瞄准月球不假，但是却对月球角距离25°远的地方盯了足足有6分钟的时间。而仪器对数据忠实地记录，反应了一个事实：这个位置恰好有一个非常强大的X射线辐射源！
打歪的这枚火箭让贾科尼发现了人类所知的，除太阳之外的第一个强X射线辐射源。从后来的跟进研究，科学家们在很长一段时间内认为这些X射线辐射源是从银河系中心发出的！
不过，再后来，还是认定这个辐射源位于天蝎座，因此该辐射源得名天蝎座X-1。
贾科尼这个意大利小子，用一枚打歪了的探空火箭早在1962年就发现了迄今为止依然是人类发现的宇宙中最强烈的X辐射源！
这是一颗质量大约是1.4个太阳的中子星在吸收他的一颗伴星的过程中释放出来的。按辐射强度来算，天蝎座X-1的能量是太阳总辐射量的6万多倍！
这荣誉比观测月球的X辐射要给力多了。因为他偶然而又极为重要的发现，意大利人贾科尼获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
这是上世纪70年代初的贾科尼。他手里拿着的，是他主导研发的人类第一颗X射线天文望远镜卫星乌呼鲁号。
乌呼鲁
人类的第一颗X射线太空望远镜是1970年12月12日，NASA在肯尼亚附近用身材修长的侦察兵B运载火箭发射的乌呼鲁卫星。
该卫星原名“探险者42号”，又名“小型天文卫星1号”（SAS-1），因发射当天正值肯尼亚独立7周年纪念日而得名Uhuru（兹瓦西里语意为“自由”）。
在肯尼亚附近发射的？嗯，是的。确切地来说是在肯尼亚领海上的由意大利工程师建设的发射平台上发的。（卫星是美籍意大利工程师贾科尼主导研发的，发射场也就选在了意大利人的这个海上平台。这真是科学研究领域的得道与升天的故事呀！）
小火箭风格：该发射平台的具体坐标为：
南纬2° 56′ 18″ S；东经 40° 12′ 45″ E
哈！居然比法国的库鲁航天发射中心更加靠近赤道！（库鲁发射中心的纬度为北纬5° 14′ 14″ N）。
哈！是不是觉得乌呼鲁这个名字有点儿耳熟？
没错！企业号星间NCC-1701和NCC-1701A的总通讯官妮欧塔·乌呼拉的姓氏，同样源自地球上的兹瓦西里语的“自由”这个词。
乌呼鲁卫星的运行轨道为近地点520公里，远地点560公里，轨道倾角3°，周期96分钟。卫星上安装了两个相互反向的X射线正比计数器，能段范围为2-20keV，每个探测器接收面积为840平方厘米，用机械准直的方法分别构成0.5°×0.5°、5°×5°的视场，利用卫星周期为10分钟的自转对天空进行扫描。
乌呼鲁，这颗人类发射到太空的首个X射线天文观测设备，表现相当不凡！
她一个人，噢，是一颗星就确定了339个X射线源，包括X射线双星、超新星遗迹、星系团、塞弗特星系等等，还有人类发现的第一个黑洞候选天体：天鹅座X-1。它还发现了星系团的弥散X射线辐射源。
乌呼鲁卫星于1973年3月停止工作。这颗卫星取得了极大的成功，被认为是X射线天文学发展史上的一座里程碑。
爱因斯坦
贾科尼继续主导着X射线天文学的工作。在他的倡议下，人类第一颗可以较为清晰地成像的X射线天文望远镜“爱因斯坦”号诞生了。
这颗卫星原名HEAO 2，也就是高能天文台2号的意思。但是，因为该卫星发射的时候，是1978年11月13日，距离爱因斯坦诞生100周年的日子比较近了，干脆就临时更名为“爱因斯坦”号。
（小火箭要多说一句：上图其实是合成的照片）
这是核爆炸和爱因斯坦骑自行车的原照片。小火箭在此特意说明。
截止到1981年4月停止工作前，爱因斯坦卫星取得了丰富的成果，包括：首次获得了超新星遗迹的激波图像、星系团中高温气体的图像，精确测量了包括X射线双星、星系和类星体在内超过7000个X射线源的位置，发现当时几乎所有已知的类星体都是X射线源，发现一些看似人畜无害的恒星也会发出很强的X射线辐射。
他还发现宇宙X射线背景辐射主要是由分立的X射线源，特别是活动星系核所贡献的。这些成果大大促进了X射线天文学的发展，爱因斯坦卫星也被认为是X射线天文学发展史上具有里程碑意义的一颗天文卫星。
钱德拉
钱德拉X射线太空望远镜的研制成本为15.5亿美元，原名为先进X射线天文设备。1998年，该为纪念美籍印度裔天体物理家钱德拉塞卡而更名。（这位物理学家在物理学和文学方面都颇有建树。曾研读莎士比亚的作品，并且把牛顿老爷子的《自然哲学的数学原理》用大众可以理解的语言重写了一遍。）
上图为钱德拉在哥伦比亚号航天飞机内部的样子。
1999年7月23日，钱德拉X射线天文台由哥伦比亚号航天飞机搭载升空，运行在一条椭圆轨道上（近地点为1万公里，远地点为14万公里，轨道周期为64小时）。
这个太空望远镜同样也是那位幸运的意大利小哥贾科尼博士建议建造的。可惜的是，在1992年，为了削减预算，该望远镜的主镜数目由原计划的12个减为4个，终端设备也减掉2台，轨道改为椭圆形，最远距离达到地月距离的三分之一，这样做目的是避开地球辐射带的影响，但一旦发生故障，将无法用航天飞机对其进行维修。
这部太空望远镜可谓是稳得很！她在M82星系中发现了中等质量黑洞的证据、发现伽玛射线暴GRB 991216中的X射线发射、观测到了银河系中心超大质量黑洞人马座A的X射线辐射。上图是M51星系。钱德拉望远镜捕获了该星系释放的大量X射线。
钱德拉望远镜拍摄到的M31星系核心部位的大量X射线放射源（大多为黑洞）。
就连遥远的本身不发光的星体也能够因反射X射线而在钱德勒望远镜上成像。上图为冥王星和他呈现的X射线图像。
钱德勒望远镜在遥远的英仙座发现了大型黑洞。上图是在X射线波段，英仙座呈现出来的壮美的波纹结构。
科学家借助钱德拉望远镜与其他天文望远镜的数据制成的超新星爆炸多波段照片。
遥远星系的超大质量黑洞
银河中的超级黑洞
借助钱德拉望远镜，人类获得了观察半人马座（三体人所在的星系）这个老朋友的新的视角。
在半人马座星系的中心，有一个大型的天体系统，称为NGC 4696，其核心部位是一个超大质量的黑洞。钱德拉望远镜拍摄的这张照片非常有名，被称作“黑洞的跳动之心”。
这个黑洞就像整个星系的一颗心脏，正在将物质和能量抛射到星系的其他地方。这种强烈的爆发在星系空间中形成了空腔，其类似激波的结构非常像超声速飞行在空中刚刚飞过时的场景。
星球大战中的死星，有着瞬间毁灭星球的巨大破坏力。
然而，死星比起超大质量黑洞来说，还是弱爆了。钱德拉望远镜捕获到了这样一个瞬间：一个巨型黑洞正在向外以光速喷射大量能量和X射线。
这种带有可怕能量的射流恰好命中了30万光年之外的一个“目标”，迸发出激烈的X射线辐射。目标天体上要是有生命的话，这一下子就全完蛋了。
小伙伴们，祈祷银河系的黑洞千万别冲着太阳系来这么一下子吧！
距离地球39亿光年之遥的星系团。这样照片是由哈勃望远镜的可见光影像（金色）与钱德拉望远镜的X射线影像（紫色）叠加而成的。
照片中间部位的紫色区域又亮又大。实际上，这是一个非常非常巨大的黑洞。整个系统的质量至少是太阳的1万亿倍！周围的星系跟他相比都显得渺小了起来。
《宋史·天文志》
“宋至和元年五月己丑，客星出天关东南可数寸，岁余稍末。”
《宋会要》卷五十二中记载：
“ 至和元年七月二十二日，守将作监致仕杨维德言：伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。谨案《黄帝掌握占》云：客星不犯毕，明盛者，主国有大贤。乞付史馆，容百官称贺。诏送史馆。
嘉祐元年三月，司天监言：客星没，客去之兆也。初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”
根据中国史籍中的记录可以推断，这是一颗在公元1054年突然爆炸的超新星。这颗星当时在23天的时间内，在白天都可以见到，在夜晚可见的时间则持续了一年十个月。
宋朝天文学家将这颗星称作“天关客星”。900多年后，钱德拉望远镜瞄准史书上记载的天关客星（金牛座）的位置，拍到了上图那样的场景。这是超新星爆炸后形成的星云。当然，她有一个名字：“蟹状星云”。上图是钱德拉望远镜凭一己之力拍到的X射线波段的蟹状星云。
这是哈勃望远镜赶来帮忙，用可见光波段来丰富照片内容后，形成的哈勃（红）与钱德拉（蓝）合作后拍摄的蟹状星云照片。
拉近镜头看细节，可以看到经典的瑞利-泰勒不稳定性的丝状结构。
这是人类5大望远镜联手之后，共同拍摄的蟹状星云照片，于2017年5月11日向全世界的公众发布。
这是迄今为止人类能够看到的蟹状星云最清晰的样子，不知道宋朝的科学家看到这样的景象，会吟出怎样的诗篇！
这5大望远镜是：哈勃太空望远镜、钱德拉X射线太空望远镜、牛顿X射线太空望远镜、甚大射电望远镜阵列（由27台25米口径的天线组成的射电望远镜阵列，位于美国新墨西哥州的圣阿古斯丁海拔2124米的高原上，是世界上最大的综合孔径射电望远镜）、斯皮策太空望远镜（大型轨道天文台计划中的最后一台太空望远镜）。
X射线天文望远镜为人类观测宇宙开拓了新的视野。以X射线观察宇宙，人类发现宇宙不再像肉眼所见的那样祥和与寂静。黑洞的巨大引力撕碎了临近的恒星，在那惊天动地的过程中，恒星与黑洞爆发了响彻霄汉的嘶吼，穿越数亿光年的距离来到地球附近。不过这个过程非肉眼凡胎可见，目前只能以X射线的形式被相应的探测器感知到。
而星系的碰撞与交融、超新星的爆炸与中子星的诞生，这些宇宙中荡气回肠、波澜壮阔的场景，都仰赖X射线天文望远镜来观测。
硬X射线比X射线的能量更高，这是研究黑洞乃至宇宙形成的早期阶段的样貌非常关键的波段。早在上世纪90年代初，美国国家科学研究委员会就把硬X射线成像列为90年代空间高能项目的最高优先级了。
钱德拉望远镜（蓝色）与巨米波射电望远镜（红色）共同捕获的两大星系团（阿贝尔3411星系与阿贝尔3412星系）碰撞与合并的壮丽场景。
这才叫冰与火之歌
牛顿
XMM-牛顿计划始于1984年，1997年3月开始建造，原名为“高通量X射线分光任务”，为了纪念发明了分光镜的牛顿老爷子而改名为XMM-牛顿太空望远镜，其中XMM是X-ray Multi-Mirror Mission（X射线多镜面任务）的缩写。
1999年12月10日，XMM-牛顿太空望远镜在法属圭亚那的库鲁发射场用阿里亚娜5型火箭发射升空。
在小火箭本文的蟹状星云部分中，牛顿X射线太空望远镜作为5大望远镜之一已经出镜过一次了。
这是牛顿望远镜与钱德拉望远镜联手拍摄的科马星系群。照片中的明亮紫色是温度高达数百万摄氏度的星际尘埃辐射出的X射线。
结束语
小火箭准备用怎样的一幅照片来结束本文呢？
这张吧！
这是哈勃望远镜和众多望远镜联手拍摄的一个距离地球2万光年的一个非常年轻的星系。这些星星的年龄介于100万年到200万年之间。可见光波段展示了精美的星系结构，而X射线波段则穿透了茫茫宇宙尘埃，帮助人类看到了隐藏在尘埃中的更多星体（紫色）。
当然，人类不能以掌握了X射线这项技能而沾沾自喜，还有伽马射线这个领域等着人类来开拓呢！
伽玛射线更加高能。宇宙中的伽马射线暴具有非常巨大的能量，往往在几秒内释放出的能量就相当于数百个太阳一生中所释放出的能量总和，是人们已知的宇宙中最猛烈的爆发。
1997年12月14日发生的一次伽玛暴，距地球120亿光年，在爆发后一两秒内，其亮度就与除它以外的整个宇宙一样明亮，它在50秒内释放出的能量相当于整个银河系200年的总辐射能量，比超新星爆发还要大几百倍。而1999年1月23日发生的一次伽玛暴比这还要猛烈十倍。
对伽马射线暴的研究将开启人类星辰大海事业的新篇章。星际舰队已出发！与小火箭一起携手仰望宇宙的深邃与壮美吧！
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