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科学家开发新型技术,可将 X 射线望远镜焦距从 10 米缩短至 50 公分

2024-11-24 212

一种原本用在医学成像的光学技术,现在被天文学家拿来设计成新型 X 射线太空望远镜,将能让望远镜看得更远、更清晰,解决过去设备的分辨率与焦距问题,并且焦距从 10 米缩减至不到 50 公分。

X 射线望远镜是观测太空中各种辐射 X 射线天体的利器,比如 X 射线双星系统(其中一颗为致密星,通常是中子星或黑洞)、脉冲星、伽玛射线暴的 X 射线余辉、太阳耀斑、超新星爆炸遗骸、活跃星系核(AGN)、黑洞、星系团中的高温气体与暗物质等。

目前最有名的 2 个 X 射线天文卫星为:美国太空总署(NASA)的钱卓拉 X 射线天文台(Chandra X-ray Observatory,CXO),以及欧洲太空总署(ESA)的 XMM-牛顿卫星(X-ray Multi-Mirror Newton),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,领先取得大批重要研究成果。

不过 X 射线天文望远镜也有许多缺点,首先 X 射线无法穿透地球大气层,所以 X 射线望远镜只能送上太空,成本高昂;其次,由于 X 射线能穿透物质,不能像可见光或无线电波那样被反射或折射,也因此 X 射线望远镜很难聚焦,分辨率和焦距是个大问题。

所以 X 射线望远镜并非使用一般的透镜或反射镜,而是曲面镜或嵌套的圆柱形镜,借由让 X 射线以非常小的角度弯曲来聚焦 X 射线,虽然这道解决方法不错,但结果是望远镜的焦距很长,比如钱卓拉 X 射线望远镜的焦距长达 10 米。

不过由瑞典皇家理工学院(Kungliga Tekniska högskolan,KTH)医学 X 射线技术员 Mats Danielsson、天文学家 Mark Pearce 领导的团队,将原本用于医学成像的某种先进棱镜光学技术,拿来设计成新型 X 射线望远镜,以比传统圆柱形镜略高的角度弯曲 X 射线,能将望远镜的焦距大幅缩小至不到 50 公分。

▲ 传统 X 射线望远镜(上)与新型 X 设限望远镜(下)镜面的设计差异。(Source:瑞典皇家理工学院)

这说明如果以新技术打造 X 射线望远镜,除了体积更小外,其收集的光量会是今天 X 射线望远镜的千倍以上,此外分辨率也会大幅提升,代表我们可以从照片中看到更多细节,从早期宇宙中看到更遥远的物体,并且有机会从中发现被错过的新物体。

皇家理工学院团队已经开发出新型望远镜的原型设备,目前研究人员正致力于改进镜头和一些感测器、电子设备设计,希望接下来能正式送上太空进行测试。这项新技术首度在《自然-天文学》(Nature Astronomy)期刊曝光。

  • Ditching mirrors for plastic prisms will make for much smaller, more powerful X-ray telescopes
  • Radically different telescope design offers deeper look into space

(首图为钱卓拉 X 射线望远镜,来源:Wikipedia)

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2019-06-23 09:13:00

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