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2016-4-7

极紫外探测器:管中窥探宇宙

归档于: 天文空间科学, 空间科学 @ 2:45 pm

专门进行紫外波段的天文卫星数量不算太多,但也还是有过轨道天文台(OAO)2号与3号、国际紫外探测器(IUE)、星系演化探测器(GALEX)等若干成功的例子。这些卫星的研究目标是宇宙中最炽热活跃的天体,它们的辐射能有相当一部分是以紫外光的形式释放出的。不过最极端的极紫外波段却是个例外。由于星际介质对极紫外辐射普遍不透明,印象里没有哪颗卫星专事此方面的研究,就算是空间极紫外仪器,也都是以太阳(至少是太阳系内天体)为主要观测目标。前些天跟朋友闲聊时还信誓旦旦地称这一波段尚属空间观测的空白,可是转天在胡乱翻书的时候就翻出了极紫外探测器(EUVE)卫星这么一个反面实例。好吧,希望对方没有被区区几句闲聊误导……

极紫外是整个紫外波段波长最短的部分,上启X射线能段,下连远紫外的领域;极紫外探测器搭载的仪器可以覆盖的波长则介于7纳米到76纳米之间(作为比较,可见光的波长最短是400纳米左右,而波长短于300纳米左右的辐射即已无法穿过地球大气)。这颗于1992年6月7日发射的航天器是第一颗专事极紫外深空观测的卫星,也是迄今唯一一颗同类卫星。虽然它早已于2001年1月底退役,并在一年之后重新落入了地球大气,而且尚无接任的后续者,但它的观测却明确说明,极紫外的深空并非像原先设想的那样在星际吸收的作用下空无一物,而是充满了多样化的辐射源。

极紫外探测器的外观。

极紫外探测器的历史可以追溯到太空竞赛末期的阿波罗-联盟计划。期间加州大学伯克利分校的研究者在阿波罗CSM-111飞船上搭载了一台极紫外照相机,用于在5到150纳米之间的波段观测天空。当时的研究者已经知道了星际氢氦气体对极紫外光的吸收效应,而且早期探空火箭的短暂观测也没能在太阳系之外发现任何极紫外源。但尽管如此,考虑星际介质分布的不均匀性,探测距离地球数百光年内的极紫外源也并非没有可能,因此人们还是进行了尝试。结果是,这台照相机总共发现了30个发出强烈极紫外辐射的天体,其中包括三个尚属情理之中的目标(表面温度极高的白矮星Fiege 24和HZ 43,以及天鹅SS软X射线源)、意料之外的半人马比邻星(这是一颗表面温度低于太阳的红矮星兼耀星,因此其极紫外辐射应该归因于其上的耀斑活动),还有26个身份不明的新源。

受阿波罗CSM-111飞船照相机成功观测极紫外天空的启发,NASA从20世纪70年代末起开始了极紫外探测器的研发。这一卫星在1984年正式获得了批准,并预定于1988年由航天飞机携带进入太空。但随后挑战者号航天飞机的失事让EUVE的发射时间一拖再拖,发射方式也改成了搭乘德尔他II型运载火箭升空。在此期间,欧洲的伦琴X射线天文卫星又在波长6到30纳米的极紫外波段探测到了700个新的天体,其中大多数可以被归结为白矮星或矮星的星冕。

这些来自深空的极紫外信号能够传播到地球附近,这要如何解释?实际上自20世纪70年代起,天文学家凭借OAO-3等卫星的观测就已经认识到,当下太阳身居星际介质密度远低于银河系平均值的本地泡内。这个宽百余秒差距的泡状结构由稀疏的高温电离氢云构成,外围包裹着低温致密中性气体,据信是年轻OB星协的强劲星风与超新星爆发等过程的产物。极紫外辐射在本地泡之内所受的吸收甚少,因此在地球轨道上观测邻近天体问题不大。考虑泡状结构并非对称,更远处的情况就不太好说了。比如在大犬座军市一附近的星际介质空穴可能一直延伸到了上千光年之外,而且并不排除在某些方向存在“烟囱”式的通道一直延伸到银晕中,并让远方的极紫外光子几乎不受阻碍地通过的可能性。

本地泡的示意图。(图片提供:NASA CHIPS)

极紫外探测器的首要任务是在极紫外波段巡视全天,并在两个波段内进行深度巡天。此外它还对先前发现的辐射源进行了光谱观测,并利用分光手段研究了星际介质的组分。由于传统的折射或反射式望远镜都会有效吸收能量较高的极紫外光子,EUVE所携带的4架望远镜采用了类似X射线掠射望远镜的设计,其中包括用于巡天观测、覆盖不同波段的2台Wolter-Schwarzschild I型掠射镜和1台Wolter-Schwarzschild II型掠射镜,以及1台用于对黄道面附近天区进行深度巡天和光谱观测的Wolter-Schwarzschild II型掠射镜。同样为了避免吸收,相应的光谱仪和成像仪也采用了异于传统的无防护罩设计。按照最初的规划,卫星在完成测试正式入役后,最初半年是巡天期,随后开始对单个点源分别进行详细观测。

就在极紫外探测器尚未走出最初7周测试期的时候,它就发现了已知的第一个河外极紫外源——蝎虎BL天体PKS 2155-304,让世人大吃一惊,也敲定了管状极紫外通道的存在,确认了该波段河外观测的可行性。最终EUVE发现了数十个河外极紫外源,其中包括蝎虎BL天体、赛弗特星系以及其他类型的活动星系核等。根据卫星数据,不同类型的活动星系,其内部的星际介质性质也不尽相同。总的来说,蝎虎BL天体的辐射在宿主星系内部透过的介质数量最少。考虑这类天体都是喷流直指地球(而大体垂直于星系盘)的,星际介质的密度则在星系盘方向上最大,这一点倒是不难理解。另外还有若干星系团中心区域表现出了极紫外超出,它们基本被归因为低能宇宙线粒子对3K微波背景辐射的散射。

室女星系团中心天体M87附近的极紫外辐射超出。

对于距离更近的极紫外源,极紫外探测器的观测结果是,在距离地球50秒差距以内以晚型恒星为主,而其外则由白矮星占据半壁以上的江山。此外高温O/B型恒星、猎犬RS型双星、高偏振星以及超新星遗迹也都为极紫外天空作出了贡献。值得一提的是,这些辐射源在天空中的分布并不均匀,在毕星团以及军市一通道方向上有明显的增多,而且超过95%的源都位于在本地泡中性氢云边界之内,河外源更是只分布在某些特定的高银纬天区。这样的事实自然不能用辐射源本征分布的各向异性来解释,不过也并不令人惊讶,它只是在很大程度上帮助勾勒出了本地开放式通道的具体位置而已。换句话说,EUVE正是借助银河系中一条缺乏星际介质的通道,管中窥天空。考虑星际介质极低的密度,通道的证认在其他波段是很难进行的。

已知距离的极紫外源的分布情况与本地通道的位置的比较。(图片来源:Sfeir et al. 1999)

极紫外探测器的其他重要发现还包括矮新星天鹅SS的准周期振荡现象、大犬ε作为本地绒毛(Local Fluff)电离源的确认、白矮星大气分层与辐射压的研究等等。此外这颗卫星凭借其快速的机遇目标反应能力,与其他空间和地面仪器一道监测了天鹅SS多波段爆发的启动行为、活动星系NGC 4051的光变,还有众多X射线源的活动等等。在更靠近地球的地方,极紫外探测器还观测了包括月球、金星和若干彗星在内的多个太阳系天体。

最终极紫外探测器的观测结果汇总成了一部包含801个辐射源的全天星表,其中有350余个得到了详尽的分光观测。可能是因为存在大量邻近源的缘故,这些极紫外源的全天分布整体看来并无太大的各向异性,但河外天体的集中趋势还是很明显(当然还有太阳系天体,不过集中分布的原因不同,不是星际介质的吸收,而是本身就身居黄道面附近所致)。至于一些性质不明的源,其真实身份还有待进一步探讨,只是不知近年进展如何。

EUVE眼中的极紫外源及其类型。(图片提供:MAST/STScI)

EUVE其实在发射之初还背负了另一个目标,也就是论证未来同波段空间望远镜的必要性。鉴于它至今没有同类的继任卫星,极紫外深空观测的意义可能终究还是比较有限,至少在大多数天区受星际吸收的影响,重要性比起其他波段还要靠边站。工作波段与之最接近的要算1999年发射、2007年退役的远紫外分光探测器(FUSE),但性质相差还是很大。虽然EUVE的所做所为不过是身居一管窥全天,难以明了极紫外宇宙的全貌,但也足以揭示出众多的新现象。更不要提的是这颗卫星作为极紫外先驱者的地位以及对仪器工程的贡献——在此之前,连该波段的仪器校正标准还都属于被人遗忘的角落。

 

参考资料

[1] New Cosmic Horizons - Space Astronomy from the V2 to the Hubble Space Telescope by David Leverington
[2] EUVE项目的主页:http://www.ssl.berkeley.edu/euve/index.html
[3] NASA’s HEASARC Observatories/The EUVE Observatory

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