现代天文仪器之二：掠射望远镜

前面《编码孔成像》一文已经提到过，对中低能量的X射线光子，还是可以做到聚焦成像的。不过因为一般入射到普通物质上的X射线光子要么会直接通过，要么被大量吸收，所以成像不能使用传统的折射或反射方式，目前一般是采用掠射装置作为望远镜系统主体。

进入掠射系统成像的X射线光子入射角很小，接近与掠射镜面平行，某种意义上这与掠射到墙壁上的子弹会反弹类似。也就是说，与光学望远镜的镜面几乎与入射光垂直不同，掠射镜是近似沿入射方向放置的。当然，镜面材料也要选择对X射线吸收系数比较小的，如金或镍，其对于1keV的光子的掠射临界角一般为1度左右。金属材料的临界角 $\alpha_c$ 可以由下式具体计算：

$\alpha_c = 69.4 \frac{\sqrt{\rho}}{E}$

其中的 $\rho$ 是金属密度，是X射线光子能量。

X射线望远镜常用光路有Kirkpatrick-Baez型、Wolter I、II、III型和龙虾眼（Lobster Eye）型等。Kirkpatrick-Baez型是最早的设计，完成于1948年。此系统中X射线经过两片互相垂直的抛物线面反射后会聚。3种Wolter型是使X射线先经抛物面反射再由双曲面反射会聚，目前包括钱德拉X射线天文台在内许多大型X射线望远镜都采用此类设计，I型的运用更多些。1970年代末提出的龙虾眼型设计的优点是有很大的视场，但焦面是曲面，且镜筒不易制作，故迄今尚未被任何X射线望远镜采用。

Kirkpatrick-Baez型X射线望远镜的光路（图片提供：imagine.gsfc.nasa.gov）

三种Wolter型X射线望远镜的光路（图片提供：James Manners）

龙虾眼型X射线望远镜的光路（图片提供：www.src.le.ac.uk/lobster）

在小入射角情况下，为增加望远镜的有效聚光面积，通常按下图所示的方式将多组掠射镜组合成套筒状（以Wolter I型为例），通过合理选择镜面形状，让X射线会聚到统一的焦点处再接收。

Wolter I型X射线望远镜筒设计示意图（图片提供：CXO）

Wolter I型X射线望远镜剖面放大图，图中画出了光子的传播路径（图片提供：NASA Goddard Space Flight Center）

衡量掠射系统质量的指标包括成像质量、有效聚光面积以及抵抗散射光干扰的能力，其中有效聚光面积决定于两组镜面的间距与镜面厚度。

最早的X射线成像天文观测是1963年Riccardo Giacconi（2002年因对X射线天文学的贡献而荣获诺贝奖）等人用探空火箭完成的，观测对象是太阳。之前的1949年，Burnight等人已发现太阳是个亮X射线源。最早的大型X射线望远镜则是天空实验室搭载的阿波罗望远镜，可以拍摄清晰的太阳照片。最早的X射线成像卫星是1978年发射的爱因斯坦天文台，望远镜为4层的Wolter I型望远镜，分辨率3角秒。如今经过短短三、四十年的发展，X射线望远镜已取得的飞跃不亚于从伽利略的小折射镜到现代大型望远镜的进步。

不妨再看几个例子：

伦琴X射线卫星（ROSAT）：其X射线望远镜由4层Wolter I型掠射镜组成，最大口径83.5厘米，焦距240厘米。掠射镜材料为表面镀金的零膨胀Zerodur玻璃。

钱德拉X射线天文台：由4层Wolter型掠射镜组成，外层口径1.2米，焦距10米，其表面镀铱，这是对掠射X射线反射能力最强的金属材料。为节约成本，制造时采用的办法是先将镍镀在与镜面形状相同的铝模上，冷却收缩使镍镀层脱落后再镀铱。值得一提的是，望远镜系统可以聚焦能量大于10keV的光子。

钱德拉的掠射镜组件（图片提供：Eastman Kodak）

XMM-牛顿天文台：共有3架Wolter I型望远镜，每架由58层掠射镜组成，各层镜面之间距离小至1毫米。望远镜口径70厘米，焦距7.5米，镜面材料为镀金的镍板。

XMM-牛顿天文台的望远镜系统（图片提供：ESA）

Swift卫星：其上的X射线望远镜专用于探测伽玛暴余辉，力求反应速度。光路采用莱斯特大学为X-伽玛光谱（Spectrum X-Gamma）计划研制的JET-X望远镜设计，焦距3.5米，定位精度约为2.5角秒。

Swift卫星的X射线望远镜（图片提供：NASA）

朱雀卫星：对卫星本身了解不是很多，只是暑假实习在COSPAR蹭会期间听过一些关于朱雀观测成果的报告。卫星上搭载5架望远镜系统，每架望远镜由上千块表面镀金的铝板分170层左右拼接而成，直径40厘米，焦距约4.5米或4.75米（各望远镜具体参数不同）。

朱雀卫星X射线望远镜的反射面（图片提供：NASA Goddard Space Flight Center）

参考资料：

[1] History of X-Ray Astronomy
[2] http://www.roe.ac.uk/~jcm/thesis/node1.html
[3] XRT: an X-ray telescope on board the Swift satellite
[4] Chandra’s Telescope System
[5] The Telescopes of XMM-Newton