創新推動進步 成就觀測利器
——同濟大學物理科學與工程學院王佔山教授談X射線空間望遠鏡
現任同濟大物理科學與工程學院博士生導師的王佔山教授，其研究方向正是精密光學薄膜器件與系統研究，主要包括：極紫外、軟X射線和X射線多層膜和光學系統研究，新型X射線光學元件研究以及高精度光學薄膜研究。由他作為負責人完成了中國科學院空間科學先導專項十二五支持子課題和國家自然科學基金空間科學聯合基金重點項目，在世界各國X射線空間成像望遠鏡「競賽」的大背景下，無疑為中國X射線空間成像望遠鏡研製增加不少話語權。
獨具特色 X射線空間望遠鏡的意義
1609年，義大利物理和天文學家伽利略首次用望遠鏡觀測到了人眼看不到的宇宙中一些天體，開創了天文學研究新紀元。隨著科學技術不斷發展，進入20世紀後，人類研製出了越來越大、性能越來越好的望遠鏡，可觀測到更遠距離的天體。除了發射可見光外，宇宙中還存在能發射高能射線的星體，包括X射線雙星、脈衝星、伽馬射線暴、超新星遺蹟、活動星系核的高溫氣體等，通過研究這些星體，可更深入地了解宇宙奧秘，增強對黑洞成因和大爆炸時間等科學認識。但X射線不能穿越地球大氣層，因此無法採用陸基望遠鏡進行觀測，只有將X射線望遠鏡放置在大氣層外才實現X射線星體的觀測，X射線空間成像望遠鏡是實現此觀測的最重要手段。
除了材料吸收之外，所有材料的X射線折射率都小於1接近於1，無法採用常規的透鏡組成X射線空間成像望遠鏡。在正入射條件下，反射鏡的X射線反射係數非常小，傳統的反射望遠鏡也不能用於X射線星體觀測。鑑於此，準直型和編碼孔徑X射線非直接成像型望遠鏡得到了發展，其結構相對簡單，探測器大，需要數學上的反解才能獲得成像，探測器大致使非成像望遠鏡靈敏度低、信噪比差。
既往開來 X射線空間成像望遠鏡發展史
上世紀二十年代，康普頓發現在掠入射時X射線會發生全反射，從而人們開始嘗試通過掠入射方式對X射線聚焦成像。上世紀四十年代末，美國科學家柯克派屈克和貝茲發明了以其名字命名的柯克派屈克-貝茲型掠入射成像系統，其由兩個相互垂直順序放置球面反射鏡構成。上世紀五十年代初，德國科學家發明了沃爾特I型掠入射成像系統，其是由共焦前後放置的旋轉對稱拋物面和雙曲面組成。後來蒙泰爾又發明了由兩個相互垂直相向放置球面反射鏡構成的蒙泰爾聚焦系統以及基於仿生結構的龍蝦眼型聚焦成像系統。多層嵌套式沃爾特I型掠入射成像系統具有集光面積大、解析度高等優點，是X射線空間成像望遠的主流方案，已獲得廣泛應用。由於沃爾特I型望遠鏡的旋轉對稱拋物面和雙曲鏡片加工難度大，人們又提出了一種用圓錐面替代拋物面和雙曲面的類沃爾特I型望遠鏡結構，其以犧牲一定成像解析度換取了製作成本的大幅度降低。
早期的X射線空間望遠鏡主要用來觀測太陽輻射的 X 射線，可有效地開展中、短期的太陽活動預報以及太陽爆發先兆現象研究。太陽觀測需注重細微的變化，需望遠鏡有儘可能高的分辨本領。太陽距離近、輻射能量大，無需嵌套結構增大集光面積。多層膜技術的發展使得人們可以發展正入射極紫外空間望遠鏡等仔細觀測太陽，其逐步取代了太陽掠入射X射線空間望遠鏡。
X射線空間望遠鏡主要用於探測廣闊的宇宙，集光面積變得更加重要，因此，需要採用多層嵌套結構。有四種反射鏡片製作方法成功用於X射線空間望遠鏡研製。第一種反射鏡片是採用傳統的研磨和拋光製作方法完成的，為了保證鏡片的高精度和剛度，鏡片厚度在20毫米左右。1999年美國發射的錢德拉X射線望遠鏡就是採用這種方法製作鏡片的，這個望遠鏡也是解析度最高的望遠鏡，為0.5角秒，這種方法製作鏡片非常困難，耗費巨大，已沒有可能再研製類似的望遠鏡了。第二種反射鏡片是採用鎳電鍍複製方法完成的，鎳電鍍複製法製作鏡片分為四步，第一是製作與所需鏡片面形互補的凸形模具，第二是在凸形模具上鍍制分離膜，第三是在分離膜上電鍍鎳，第四步是分離鏡片。鏡片製作完成後組裝成望遠鏡。這種方法製作的鏡片厚度在1毫米左右，可以嵌套很多層。同樣是1999年，歐空局發射的牛頓望遠鏡採用了58層鎳電鍍複製鏡片的嵌套結構，解析度達到15角秒，集光面積是錢德拉望遠鏡的20倍。今年7月俄羅斯發射了其與德國合作採用鎳電鍍複製法研製的X射線望遠鏡，其靈敏度是牛頓望遠鏡的十倍，但鎳電鍍複製鏡片質量重，發射費用高。錢德拉和牛頓望遠鏡採用的均是嵌套式沃爾特I型望遠鏡結構，為了在增大望遠鏡的集光面積的同時，降低望遠鏡的製作難度與成本，需採用圓錐近似的類沃爾特I型結構。為此，產生了第三和第四種X射線空間成像望遠鏡製作方法。第三種反射鏡片是採用鋁薄片環氧複製方法完成的。鋁薄片環氧複製鏡片分為四步，第一是鋁薄片的圓錐面成形，第二是在圓柱狀模具上鍍制分離膜，第三是在分離膜上塗敷環氧樹脂並粘上成形好的鋁薄片，第四步是分離鏡片。該方法製作的鏡片厚度在1毫米左右，可以嵌套很多層，一般情況下鏡片是四分之一圓錐面。裝配時按照四分之一模塊進行裝配，最後再合成整個望遠鏡。受鏡片製作精度的限制，這個望遠鏡的解析度難於超過60角秒。採用這種鏡片製作方法發射的衛星有日本航空局的朱雀望遠鏡和瞳望遠鏡等。第四種反射鏡片是採用薄玻璃複製方法完成的。其製作過程分為三步，第一是薄玻璃熱成形，第二是薄玻璃鍍膜，第三是薄玻璃鏡片組裝成望遠鏡。在望遠鏡裝配時，每次只完成一層鏡片的裝配集成，然後逐步完成整個望遠鏡。採用這種鏡片製作方法已發射的衛星有美國的核光譜望遠鏡，這個望遠鏡的解析度達到了58角秒。
開拓創新 成功研製X射線聚焦望遠鏡
2017年6月15日，我國在酒泉衛星發射中心用長徵四號乙運載火箭，成功發射世界第一顆硬X射線調製望遠鏡衛星「慧眼」。硬X射線調製望遠鏡衛星工程是由國防科工局和中國科學院聯合組織實施的空間科學項目。在X射線天文觀測方面，除了慧眼X射線空間望遠鏡外，2016年11月我國還發射了首顆脈衝星試驗衛星，其主要用於X射線聚焦，而不是成像。
據王佔山介紹，同濟大學構建了可以支撐X射線空間成像望遠鏡研製的技術研發平臺，解決了X射線空間成像望遠鏡研製的關鍵技術，形成了開發X射線空間成像望遠鏡的研製能力，在國內首次研製出了X射線空間成像望遠鏡原理樣機，並完成了光學與力學特性測試，測試結果表明樣機的各項性能指標滿足任務書要求。為建設國內一流、國際先進的X射線精密成像系統研究中心奠定了技術基礎，更為深入參與我國科學衛星系列的研製，在空間科學領域做出重大科學突破創造了重要平臺。
目前，在我國正在醞釀的X射線時變與偏振探測衛星和尋找丟失重子衛星中，都含有X射線空間成像望遠鏡。同濟大學在薄玻璃鏡片望遠鏡研製方面取得了可喜進步，研製的X射線望遠鏡樣機解析度達到了世界最好水平，這為我國相關望遠鏡發展奠定了堅實的基礎。