歐洲強大的x射線望遠鏡：XMM-牛頓太空望遠鏡

1999年歐洲航天局(ESA)發射了被該機構稱為「史上最強大的x射線望遠鏡」。近二十年來x射線多鏡任務(XMM)牛頓望遠鏡一直在探測熱的x射線宇宙，尋找丟失的物質，監測黑洞和它們的「飲食"習慣，檢查星系的明亮中心，甚至觀察太陽系中的行星,讓我們來看看歐空局的「歐洲x射線天文學旗艦」。XMM-Newton（XMM-牛頓）攜帶了三架先進的x射線望遠鏡。每一個都包含58塊高精度嵌套鏡，XMM的x光採集面積幾乎和網球場一樣大，儘管每個都只有30厘米寬。這是因為每台桶形望遠鏡都有58塊薄得像瓦片一樣的鏡面彎曲成圓柱形，像俄羅斯玩偶一樣相互嵌套。

圖片描述了銀河系的中心，就像xmm-牛頓在x射線中看到的那樣。圖片：ESA/XMM-NEWTON/G. PONTI ET AL. 2015

博科園-科學科普：鏡子之間的間距只有25微米，只有人類頭髮的四分之一。這些鏡子合在一起，將使天文學家能夠以前所未有的精確度進行長時間不間斷觀測。該望遠鏡與照相機、光譜儀和光學/紫外線監測器一起工作。三個歐洲的光子成像相機(EPIC)可以探測到弱x射線輻射，反射光柵光譜儀比史詩更詳細地分析波長。最後一種儀器是光學/紫外線監測器，ESA將其描述為「哈勃太空望遠鏡的縮小版」，可以觀察到x射線，以及紫外線和可見光波段。這台顯示器30厘米的觀察區域擁有4米望遠鏡在地球上的威力，僅僅是因為它在地球大氣層的干擾作用之上飛行。

XMM-Newton於1999年12月10日在法屬蓋亞那的Kourou太空港發射升空，在一個高度橢圓的軌道上繞地球運行48小時。這個高度偏心的軌道使這個儀器在環繞地球的輻射帶之外停留了40個小時，同時提供了最長的觀測周期，大部分時間都在地球的陰影之外。軌道周期恰好是地球自轉周期的兩倍，這也使航天器與澳大利亞庫盧和亞塔拉加的地面站保持最佳接觸。除了它的科學縮寫，XMM-Newton望遠鏡被命名為紀念世界上最傑出的科學家之一，艾薩克·牛頓爵士。牛頓在數學、光學和物理學領域的工作奠定了現代科學的基礎，因為他對理論和實踐天文學產生了重大影響。

歐洲航天局科學總監羅傑·博內(Roger Bonnet)在一份聲明中說：我們之所以選擇這個名字，是因為艾薩克·牛頓爵士發明了光譜學，XMM是一項光譜學任務。牛頓的名字與墜落的蘋果有關，蘋果是重力的象徵，希望通過XMM，我們能找到大量的黑洞候選者，當然這些候選者與引力理論有關。沒有比xmm -牛頓更適合這個任務的名字了。據歐洲航天局稱，儘管這台望遠鏡已有近20年的歷史，但其設備的退化程度相當溫和。預測的儀器性能應該允許研究繼續進行10年。最大的限制因素是燃料。使用保守的估計，xmm -牛頓在2029年左右將耗盡燃料，這將使它的壽命達到30年。歐洲航天局正在研製一種新的儀器，雅典娜x射線天文台，計劃於2028年發射。

科學研究

xmm -牛頓發射的目的是研究一些最劇烈的空間現象，設計目的是詳細研究宇宙源的x射線發射特性，如星系團、星爆星系、活動星系核、黑洞、中子星和脈衝星。一些天文資源是突出的x射線發射源，但在電磁頻譜的其他部分是微弱的，甚至是看不見的，因此對這些天體進行高質量的x射線觀測是非常重要的，不能用其他觀測技術獲得的數據來代替。XMM-Newton還可以研究超新星殘骸，即恆星之間的熱物質，以及吸收x射線的冷氣體。它甚至可以研究太陽系中的物體，如彗星和氣態巨星的極光活動。經過17年的觀察，研究人員在相關文獻中發表了5000多篇科學論文。根據歐洲航天局的一份聲明：XMM-Newton已經成為ESA歷史上最多產的天文研究之一。

歐洲航天局的xmm -牛頓發現了一顆脈衝星（一顆曾經質量巨大的恆星的旋轉殘骸）亮度是先前認為可能的1000倍。圖片：ESA/XMM-Newton; NASA/Chandra and SDSS

基於通過XMM-Newton觀測所得的數據，幾乎所有天文學領域的發現都得到了描述。儘管xmm -牛頓已經做出了大量傑出的研究，但一些亮點包括：在「明亮」和「安靜」模式之間切換的脈衝星。與xmm -牛頓和地面無線電望遠鏡同步觀測的脈衝星PSR B0943+10顯示，當x射線明亮時，它在無線電波中是安靜的，反之亦然。曼徹斯特大學物理與天文學院的本·斯塔普斯說：這顆脈衝星的行為非常令人吃驚。失蹤的星際物質，暗物質和暗能量分別占宇宙的25%和70%，而普通的重子物質則佔據了宇宙的一切。但是最後的5%是一個很難追蹤的挑戰。

通過使用xmm -牛頓觀測一個巨大的星系，中心有一個特大質量的黑洞，研究人員能夠找到瀰漫的、難以發現的氣體的跡象，這些氣體存在於太陽和遙遠的星系之間。來自荷蘭空間研究所的Jelle Kaastra在一份聲明中說：用xmm -牛頓發現了失蹤的重子，這是充分描述發現重子的環境和結構的令人興奮的第一步。一個黑洞在一顆恆星上啃咬了創紀錄的十年。通過使用xmm -牛頓、NASA錢德拉x射線天文台和Neil Gehrels Swift天文台，研究人員發現了一顆被黑洞吞噬了十多年的恆星。大範圍的時間跨度表明，這是有史以來被撕裂的最巨大恆星，或者是第一次小的恆星被完全撕裂。來自新罕布希爾州杜倫大學的主要作者大成林在一份聲明中說：我們見證了一顆恆星壯觀而漫長的消亡，自上世紀90年代以來，已經發現了數十起海嘯破壞事件，但沒有一個事件能像這次一樣持續如此長時間。

木星的飄忽不定的極光。極光顯示是由帶電原子粒子與行星、月亮或恆星的大氣層碰撞而形成的，通常會過濾到它們的兩極。在地球上，兩組極光相互模仿;當北極光變亮時，南方的也會變亮。但當研究人員使用XMM-Newton和錢德拉觀測木星兩極極光產生的高能x射線時，發現了另一個故事。當南方的極光每11分鐘跳動時，北極的極光就會不規則地閃爍。這是一個突破性的發現，如果沒有ESA的xmm -牛頓，這是不可能實現的。太空天文台對這項研究至關重要，它提供了高光譜解析度的詳細數據，使研究小組能夠探索極光的鮮艷色彩，並找出相關粒子的細節：如果它們運動得很快，無論是氧離子還是硫離子。

博科園-科學科普｜文：Nola Taylor Redd/Space

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