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2020-12-01天文學家的野望LYNX X射線太空望遠鏡 612 期

Author 作者 林彥興/清大理學院學士班,物理 / 天文物理雙專長,EASY天文地科團隊總編輯。
相較於可見光天文學的悠久歷史,X射線天文學(X-ray astronomy)可謂相當年輕的天文領域。由於地球的大氣層幾乎會將來自宇宙的X射線完全吸收,因此想要在地面觀測宇宙中的X射線幾乎是不可能的任務。直到太空科技高速發展的1960 年代,天文學家才開始嘗試將簡單的X光感測器搭載在探空火箭上,發射到數百公里的高空中進行短短幾分鐘的觀測,再將資料送回地面。即使觀測條件如此嚴苛,這些早年的觀測仍為天文學打開了另一扇窗,讓我們得以一窺宇宙高能、狂暴的一面。

經過幾十年的發展,現在地球上空有超過十座X射線天文衛星正在運作中,觀測著宇宙中的超新星殘骸、星系間氣體及活躍星系核等各式各樣的目標。與此同時,未來也有多個X射線太空望遠鏡計畫,正如火如荼的進行中。其中,由美國國家航空暨太空總署(NASA)資助的LYNX(中文意為猞猁)太空望遠鏡當屬最富野心的計畫之一,它將以全面超越現役望遠鏡的性能,探索宇宙的高能區域。

作為一個仍在襁褓中的計畫,LYNX能否持續發展,究竟何年何月才能升空都還是未知數。但這不妨礙我們從LYNX計畫中窺探人類科技的日新月異,以及全世界天文學家未來二十年的野望。

X射線望遠鏡的特殊設計

不過,看看LYNX的長相,真的是座望遠鏡?那些望遠鏡該有的鏡筒、鏡面或透鏡都到哪裡去了呢?這就要從X光的特性談起。

傳統的光學望遠鏡,通常會使用凹面鏡匯聚光線,將光線精準地聚焦在感光元件上產生影像。然而這招對X光卻行不通,由於X光具有強大的穿透力,使它難以被鏡面反射聚焦,甚至會穿透並進而被鏡面吸收。但聰明的科學家與工程師還是想到了解決的方法,他們打造一圈一圈的金屬環,讓X光入射時像打水漂一般輕輕掠過鏡面,就可以讓X光反射、聚焦並成像而不被吸收。這項革命性的技術最早被使用於1979年升空的愛因斯坦衛星(Einstein Observatory),使X射線天文學從原本只能大概知道從哪個方向射來多少X光,進化成能夠呈現出如同可見光天文學所產生的影像資料。

而LYNX的光學系統預計將由457層金屬環組成,搭配三種不同的先進相機與光譜儀,使LYNX在空間解析力、拍攝效率與光譜解析力等領域,都將全面超過現役的X射線望遠鏡。強大的空間解析力,就如同視力很好的人,可以看清天體的細節;拍攝效率的提升,代表在相同的拍攝時間下,可以拍到更暗的天體,或是拍攝更多張影像,觀測更大的範圍;而光譜解析力,則讓LYNX能夠看清光譜的細節,比如各種發射與吸收譜線,並從這些譜線中推導出天體的溫度、組成元素與運動狀態等豐富的資訊。……【更多內容請閱讀科學月刊第612期】