科學家開發新型技術,可將 X 射線望遠鏡焦距從 10 公尺縮短至 50 公分

作者 | 發布日期 2019 年 06 月 21 日 17:38 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


一種原本用在醫學成像的光學技術,現在被天文學家拿來設計成新型 X 射線太空望遠鏡,將能讓望遠鏡看得更遠、更清晰,解決過去設備的分辨率與焦距問題,並且焦距從 10 公尺縮減至不到 50 公分。

X 射線望遠鏡是觀測太空中各種輻射 X 射線天體的利器,比如 X 射線雙星系統(其中一顆為緻密星,通常是中子星或黑洞)、脈衝星、伽瑪射線暴的 X 射線餘輝、太陽耀斑、超新星爆炸遺骸、活躍星系核(AGN)、黑洞、星系團中的高溫氣體與暗物質等。

目前最有名的 2 個 X 射線天文衛星為:美國太空總署(NASA)的錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory,CXO),以及歐洲太空總署(ESA)的 XMM-牛頓衛星(X-ray Multi-Mirror Newton),前者具有極高的空間解析度(小於 1 角秒)和較寬的能段(0.1-1keV),後者則具有非常高的譜解析度,它們是 21 世紀初 X 射線天文學主要的觀測設備,領先取得大批重要研究成果。

不過 X 射線天文望遠鏡也有許多缺點,首先 X 射線無法穿透地球大氣層,所以 X 射線望遠鏡只能送上太空,成本高昂;其次,由於 X 射線能穿透物質,不能像可見光或無線電波那樣被反射或折射,也因此 X 射線望遠鏡很難聚焦,分辨率和焦距是個大問題。

所以 X 射線望遠鏡並非使用一般的透鏡或反射鏡,而是曲面鏡或嵌套的圓柱形鏡,藉由讓 X 射線以非常小的角度彎曲來聚焦 X 射線,雖然這道解決方法不錯,但結果是望遠鏡的焦距很長,比如錢卓拉 X 射線望遠鏡的焦距長達 10 公尺。

不過由瑞典皇家理工學院(Kungliga Tekniska högskolan,KTH)醫學 X 射線技術員 Mats Danielsson、天文學家 Mark Pearce 領導的團隊,將原本用於醫學成像的某種先進稜鏡光學技術,拿來設計成新型 X 射線望遠鏡,以比傳統圓柱形鏡略高的角度彎曲 X 射線,能將望遠鏡的焦距大幅縮小至不到 50 公分。

▲ 傳統 X 射線望遠鏡(上)與新型 X 設限望遠鏡(下)鏡面的設計差異。(Source:瑞典皇家理工學院

這說明如果以新技術打造 X 射線望遠鏡,除了體積更小外,其收集的光量會是今天 X 射線望遠鏡的千倍以上,此外分辨率也會大幅提升,代表我們可以從照片中看到更多細節,從早期宇宙中看到更遙遠的物體,並且有機會從中發現被錯過的新物體。

皇家理工學院團隊已經開發出新型望遠鏡的原型設備,目前研究人員正致力於改進鏡頭和一些感測器、電子設備設計,希望接下來能正式送上太空進行測試。這項新技術首度在《自然-天文學》(Nature Astronomy)期刊曝光。

(首圖為錢卓拉 X 射線望遠鏡,來源:Wikipedia

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