X射线天文卫星

天文学术语

X射线天文卫星，是以观测天体的X射线辐射为主要目的的人造卫星，是X射线天文学的主要研究设备。第一颗X射线天文卫星，载有二架掠射式望远镜，于1970年12月12日美国在肯尼亚发射的乌呼鲁卫星，该卫星原名“探险者42号”。除了乌呼鲁卫星以外，1970年代至1980年代，各国还相继发射了一系列X射线天文卫星。

简介

第一颗X射线天文卫星是1970年12月12日美国在肯尼亚发射的乌呼鲁卫星，该卫星原名“探险者42号”，又名“小型天文卫星1号”，因发射当天正值肯尼亚独立7周年纪念日而得名（兹瓦西里语意为“自由”）。卫星上装有两个相互反向的X射线探测器，利用卫星的旋转进行了系统的X射线巡天，确定了约350个X射线源，发现了许多银河系中的X射线双星、来自遥远星系团的X射线，以及第一个黑洞候选天体——天鹅座X-1。乌呼鲁卫星的观测取得了极大的成功，被认为是X射线天文学发展史上的一座里程碑。

发展

除了乌呼鲁卫星以外，1970年代至1980年代，各国还相继发射了一系列X射线天文卫星，包括英国的羚羊5、荷兰天文卫星、美国的小型天文卫星3号、高能天文台1号（1977年）和高能天文台2号(又名“爱因斯坦卫星”)、欧洲的X射线天文卫星（）、日本的银河卫星等，其中1978年发射的爱因斯坦卫星首次采用了大型掠射式X射线望远镜，能够对X射线源进行成像，是1970年代取得成果最多的X射线卫星。

20世纪90年代，意大利和荷兰共同研制的BeppoSAX卫星发现了伽玛射线暴的X射线余辉。德国、美国、英国联合研制的伦琴卫星（Roentgensatellit，简称ROSAT），这颗以发现X射线的德国科学家伦琴（W. Roentgen）的名字命名的天文卫星，从1990年6月投入使用以来，已经完成人类历史上首次对整个软X射线天空的成像普查，以及对许多天体的纵深、定位观测，获得众多天文现象的丰富资料。首次在软X射线波段进行了巡天观测，在9年时间里新发现了7万多个X射线源，使X射线源的总数达到了12万个。

1993年日本发射的ASCA卫星则首先将设备用于X射线成像。美国的罗西X射线时变探测器虽然不能成像，但是能够探测X射线源的快速光变。1999年，两个重要的X射线天文卫星先后发射升空——美国的钱德拉X射线天文台和欧洲的XMM-牛顿卫星。前者具有极高的空间分辨率（小于1角秒）和较宽的能段（0.1-1keV），后者则具有非常高的谱分辨率。它们是21世纪初X射线天文学主要的观测设备，取得了一大批重要的研究成果。

除此之外，1990年代升空的X射线望远镜还有俄罗斯发射的探测高能X射线的伽马1卫星、日本发射的用于观测太阳耀斑的阳光卫星等。

截止到2006年，正在工作的X射线天文卫星有欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星。

此外，欧洲的国际伽玛射线天体物理实验室和美国的雨燕卫星也安装有X射线观测设备。计划中的下一代X射线天文卫星有美国的、欧洲的等。

2017年6月15日11时00分，中国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功发射硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”，这是中国首颗大型X射线天文卫星。

2023年9月1日，Science（《科学》）以长文（Article）形式发表了主要基于慧眼卫星观测结果的黑洞吸积磁场的最新研究成果。该项研究利用我国首颗空间X射线天文卫星慧眼号的观测数据，联合地面射电和光学望远镜观测，发现了黑洞周围磁囚禁吸积盘形成过程的直接观测证据。

当地时间2023年7日8时42分左右，日本H2A火箭47号机在鹿儿岛县种子岛宇宙中心发射升空，火箭上搭载了月球探测器“SLIM”和X射线天文卫星“XRISM”。

2024年3月，日本宇宙航空研究开发机构日前发布公报说，日本发射的X射线天文卫星XRISM捕捉到了距地球约7000光年处一个天体千年前发生超新星爆发留下的残骸。

欧洲X射线天文卫星( EXOSAT)

科研目标

（1）X射线源的精确定位，成像望远镜（能量范围0.04-2KeV），定位精度高于10''，中能（ME）实验（1.5-50KeV）的月掩食技术定位精度为2''。

（2）宽波段能谱，能量0.04-50KeV。

（3）弥漫与延伸X射线源成像。

（4）X射线源的时间特性，时标小至10us，长至几天。

基本结构

EXOSAT的探测器由三部分组成，一个大面积中能正比计数器阵(ME) ，两套低能成像望远镜系统( LE1和LE2) 和一个气体闪烁正比计数器(GSPC)。卫星的轨道偏心率很大，周期为4d，其中姿态和轨道控制系统(AOCS)可修正飞行轨道，使得最多的X 射线源形成月球或地球掩食并获得最佳效果。这种掩食技术是第一次在EXOSAT 的ME实验中运用。

EXOSAT的三套实验都安装在一个三轴稳定的平台上，由低能望远镜上的导星镜确定的光轴准直，EXOSAT的高偏心轨道适合于地面控制站的连续观测，同时也增加了月掩食的数量。

姿态和轨道控制系统(AOCS)

卫星的姿态和轨道控制系统指向给定目标的误差在90''以内，短期内能稳定在几角秒以内。在惯性空间姿态重复精度高于5''。为使月掩食更有效，数目更多，卫星具有轨道改正功能，可以很快地从一个观测目标转换到下一个( 小于2h )。在一个轨道周期内可观测几个不同的目标。目标间的转换操作一般要绕两个或三个轴旋转。

卫星光轴指向并不是任意的，常有如下约束：首先是太阳不得在望远镜光轴的 60°区域内；其次，当导星镜在地球的 15°范围内时，其星指向方式不工作。同样月球在光轴方向也有15°的盲区。月掩食和地球掩食期间，导星镜前面插入滤光片即可直接观测地球和月球。此时LE望远镜关闭，太阳的 60°限制可放松至 17°。实际上ME和GSPC观测，太阳相对于望远镜光轴方向一般保持大于90°，以避免来自太阳的任何形式的干扰。

观测操作方式

有两个基本的操作方式：（1）标准方式。这是基本的观测方式，观测台在此方式下可连续72小时指向约束区以外的任意天空位置；（2）掩食方式。此方式第一次应用于中能实验，当X射线源强度大于10millicrabs时，定位精度为几角秒，月掩食、地球掩食均可运用。对月掩食来说，AOCS改变卫星在轨道近地点的运行速度，使其视场能落在月掩食的区域内。如果让卫星绕地球自由飞行，源的月掩食可能性很小。AOCS发射的推动脉冲在范围0.03-10m/s内改变卫星的速度，控制卫星的运动，使月球可掩食希望掩食的X射线源，或者说使X 射线源落在掩食带内。一般地说，最适合的掩食角为45°。

EXOSAT的轨道可形成月掩食和地球掩食的区域占整个天球的即20% 和1%。另外，地球掩食不需要改变卫星的轨道。

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