回顾天文学的发展史我们清楚地看到天文学特别是天文物理学的.DOC

X射線天文學－－近年快速發展的天文學分支 尤竣漢 上海交通大學應用物理系 陳文屏 中央大學天文所及物理系、所 一、引言：大氣層外天文學的誕生 回顧天文學的發展史，我們清楚地看到天文學，特別是天文物理學的發展與天文觀測技術的進步之間的互動關係。天文學每一次重大的飛躍都和當時的天文儀器以及觀測手段的劃時代進步密切相關；而天文物理學理論的深入探討又反過來推動了觀測技術向「高、精、細」邁進。十七世紀初，伽利略 (Galileo) 製造了第一架光學望遠鏡並且應用於天文觀測，果然視野大開，遠非目視天文所能比擬，在可見光波段人類探索宇宙奧祕的時代從此誕生了。二次世界大戰前，雷達工程師 K.G. Jansky 製作了第一台電波天文望遠鏡──電波觀測波段約在107～1011赫茲範圍），迎來了電波天文學時代，應該說，天文物理學為此發生了一次震撼世人的大飛躍。這一說法沒有任何虛妄誇張，眾所周知的「六十年代天文學的四大發現」無一不與四十年代誕生的電波天文學有關。這四大天文發現是：(i)類星體的發現；(ii)有機分子和星際邁射(maser) 源；(iii)電波脈衝星 (radio pulsars)；(iv)3K 宇宙微波背景輻射。其中後三個的發現者都已成為諾貝爾物理學獎金的得主；李政道先生預言第一項發現將是21世紀物理學四個重大課題之一。七十年代以來電波天文學仍保持著旺盛的活力，美國天文物理學家泰勒和哈爾斯就是因為發現了密近雙中子星(binary pulsar) 電波脈衝週期性的變化，確認雙中子星系統由於重力輻射導致軌道週期縮短，從而驗證了廣義相對論關於重力波輻射的預言，因此獲得了1994年諾貝爾物理學獎。某些電波天文學家自豪地說：「電波天文學是諾貝爾物理學獎的搖籃。」 從光學（可見光）天文學發展到電波天文學，觀測波段的擴大帶來的豐碩研究發現自然會激發天文學家向「全波段天文學」進軍的熱情。然而在進軍途中首先要逾越的鴻溝就是大氣層的吸收。因為天體輻射要通過地球大氣層才會到達地面上的觀測望遠鏡。而大氣層只對可見光（3000至10000埃）和電波波段輻射較為透明。天文學家就是利用這兩個波段進行觀測的。可以說，這兩個波段是大氣層賜給地面天文學家的兩個「天窗」。對其它波段的天體輻射（紅外、紫外、Ｘ射線和γ射線），大氣層都有強烈的吸收，使得地面觀測成為不可能。 為了實現全波段天文學家的理想，唯一的出路就是衝破大氣層，把天文觀測儀器送到大氣層外的太空。從50年代起，天文學家開始用氣球、火箭等運載工具來實現這一設想。到了70年代，由於太空技術的飛躍發展，各類天文衛星、飛船、太空望遠鏡等相繼問世，迎來了真正意義上的太空天文學時代，也可以稱為大氣層外天文學時代。近年來更有了建立月基望遠鏡的新設想。 如果用觀測波段來劃界，太空天文學可細分為：紅外天文學（1至100微）、紫外天文學（100至1000埃）、Ｘ射線天文學（其中軟Ｘ射線頻率範圍為1017至1018赫玆，即2至20 keV；硬Ｘ射線頻率範圍為1018至1019赫玆，即20至200 keV）及γ射線天文學（大於1 MeV）。高能（Ｘ射線、γ射線）天文學家通常使用電子伏特，而不用波長為單位，1 keV 對應 12.4 ?當然，這個劃分不是絕對的。近年來電波天文學家為了改進特長基線干涉術 (VLBI; Very Long Baseline Interferometry) 的性能，正計劃發射電波波段的太空裝置，如此將標誌著太空電波天文學的誕生。上面提到的各波段太空天文學，可以說每一個都有一段動人的故事和它對當代天文學的重大貢獻，只是限於篇幅，本文著重談Ｘ射線天文學這一分支。 二、Ｘ射線天文學概述 Ｘ射線天文學的誕生可以追溯到1962年。當時美國太空總署為阿波羅載人太空船登月計劃做了系列準備工作，其中就有發射裝有Ｘ射線探測器的火箭，目的是測試月球上Ｘ射線的輻射強度，看它對太空人是否會有危害。測量結果是對人體無任何危險，卻得到一個十分意外的收穫：發現在天蠍座方向有定向的Ｘ射線輻射（稱做 Sco X-1）！按說收到Ｘ射線並不奇怪，人們早就探測到太陽發射的Ｘ射線（在1948年 T.R. Burnight 即已取得了太陽的Ｘ射線影像），奇怪的是什麼樣的Ｘ射線源會有如此強！因為從地面觀測到太陽發射的Ｘ射線通量為每平方公分每秒106個光子。由於通量和到源的距離平方成反比，即使是離太陽系最近的恆星，也就是半人馬座的比鄰星（它到地球的距離是日地距離的2.6×105倍），假設它和太陽有一樣強的Ｘ射線光度，地面觀測到的通量也僅是太陽的約10-11倍。即使該星的Ｘ射線光度比太陽大100倍，仍不可能被當時發射的火箭探測器接收到（受靈敏度所限），更不用說是來自遙遠得多的天蠍座天體了。可見新發現的定向輻射必為極強的Ｘ射線源。當時天