摘要：当我们用肉眼仰望夜空时，我们可以看到行星、恒星、星团——如果幸运的话，还能看到银河系本身。借助望远镜，我们可以更细致、更精确地探索宇宙的奇观：看清月球表面的细节，探测其他行星周围的卫星，探索恒星爆炸的残留物，并研究遥远宇宙中的星系。
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当我们用肉眼仰望夜空时，我们可以看到行星、恒星、星团——如果幸运的话，还能看到银河系本身。借助望远镜，我们可以更细致、更精确地探索宇宙的奇观：看清月球表面的细节，探测其他行星周围的卫星，探索恒星爆炸的残留物，并研究遥远宇宙中的星系。
垂死的恒星 | 钱德拉捕捉到了来自猫眼星云（NGC 6543）的X射线（品红色），显示中心的恒星正在喷出数百万度的高温气体，更远处的冷气体发出可见光。
然而，可见光只是电磁波谱中的一小部分。为了收集更多信息，并全面理解天体物理现象，多波段观测是关键。认识到这一点，美国航天局（NASA）在1990年至2003年间发射了一系列大型望远镜，覆盖了电磁波谱的很大部分：伽马射线（康普顿伽马射线天文台）、X射线（钱德拉X射线天文台）、紫外线和可见光（哈勃空间望远镜）以及红外线（斯皮策空间望远镜）。
钱德拉X射线天文台（简称钱德拉）于1999年7月23日搭乘哥伦比亚号航天飞机发射升空。自从投入使用以来，钱德拉一直在深入研究宇宙中以前隐藏的部分，并彻底改变了天体物理学的许多领域。
天文台 | 钱德拉望远镜大约和校车差不多大小。X射线通过图中面向我们的望远镜侧面，探测器位于后方。太阳能电池板提供电力，而推进器保持绕地球的轨道。
钱德拉最特别的是其0.5角秒的空间分辨率，这使得它能产生清晰而详细的X射线图像。虽然这个分辨率不如哈勃望远镜的0.1角秒，但仍然非常令人印象深刻，因为X射线比可见光或红外光更难捕捉。为了做到这一点，我们需要独特的嵌套镜面光学设计来引导X射线聚焦。前所未有的分辨率结合高灵敏度、大收集面积的镜面和先进的光谱能力，最终创造了一个变革性的仪器。毫不奇怪，钱德拉成为了X射线天文学发展的强大动力。
2024年是钱德拉发射25周年，它是美国航天局运行时间最长的无需维修——也是仅存的两个大型望远镜之一（注：另外一个是哈勃空间望远镜，已经退役大型天文台包括前边提到的康普顿伽马射线天文台和斯皮策空间望远镜）。为了纪念钱德拉望远镜的成就，以下收集了一些它最具影响力的成果。
/ 从黑洞到暗物质
黑洞研究是钱德拉能力（特别是其精确角分辨率）最佳应用的一个主要例子。在过去的25年中，钱德拉描绘了一幅关于黑洞的惊人画面。
X射线观测在识别遥远星系中心的成长黑洞方面具有独特的强大功能。当黑洞增长时，它们会从一个延展的旋转气体盘中聚集物质，这些物质会被加热到极高的温度，从而发出X射线。钱德拉不仅能够捕捉到这些光子，还能够生成最清晰的X射线图像。虽然这个气体盘本身太小，无法直接分辨，但这些图像使我们能够区分黑洞的辐射与宿主星系内或视野拥挤区域中其他X射线源的辐射。
二十多年前，钱德拉在恒星形成星系NGC6240的核心发现了非同寻常的现象：不是一个，而是两个超大质量黑洞，它们相距3000光年。这些巨大的黑洞相互绕行，并且由于它们之间的距离缓慢缩小，可能在数千万年内合并。未来的合并将释放大量的电磁辐射和低频引力波。
超大质量双黑洞 | 恒星形成星系NGC 6240的中心拥有一对黑洞，仅相距 3000光年，通过它们的X射线辐射（紫白色）显示。
自从这一初步发现以来，通过多波段搜索，天文学家发现了许多其他类似的超大质量双黑洞。这些发现具有深远的重要性：它们支持了这样的观点，不仅超大质量黑洞可以通过合并增长，而且现在有成对的黑洞正在并合。这种合并应该会发出引力波，我们可以通过大约十年后发射的空间激光干涉仪（LISA）来观察这些引力波。
矮星系也为天文学家带来了一些有关黑洞的惊喜。几乎每个大星系（包括银河系）中心都有一个超大质量黑洞。然而，小的矮星系中是否存在黑洞仍然是一个谜，不过直到2011年，天文学家发布了钱德拉对一个名为韩尼兹2-10 （Henize 2-10）的矮星系的观测结果。这个小星系正在以惊人的速度形成恒星，并且拥有一个大约100万倍太阳质量的黑洞。由于Henize 2-10类似于早期宇宙中的星系，这一发现表明，原始星系可能已经拥有庞大的超大质量黑洞，在星系大规模形成之前就已经长到很大的规模了。
虽然本地矮星系可能是早期宇宙中星系的类似物，但要真正了解星系和黑洞的形成，我们必须探索早期宇宙本身。直到最近，随着韦布空间望远镜（JWST）的发射，才有可能探测到这样的星系。但这些早期星系中是否有超大质量黑洞呢？钱德拉的观测表明，是的，其中一些确实存在。
利用韦布空间望远镜观测到的一些星系样本，科学家找到了这些婴儿星系中心正在增长的黑洞。经过钱德拉近一个月的观测，在一个名为UHZ1的星系中发现了一个超大质量黑洞，该星系仅存在于大爆炸后4.7亿年，当时宇宙的年龄仅为目前的3%。
令所有人大为惊讶的是，这个黑洞的质量（数千万倍太阳质量）已经与星系本身的恒星质量相当。存在这样一个相对于其宿主如此庞大的黑洞，表明它可能起源于大规模气体云的坍塌，而不是第一代恒星的坍塌。
钱德拉望远镜不仅能看到黑洞，实际上还能听到它们！星系团充满了极其炽热的气体——温度在1000万到1亿度之间，会发出X射线。英仙座星系团就是一个典型例子。当星系团中心的超大质量黑洞吸积物质时，它会向周围气体发射物质喷流，产生压力波。钱德拉望远镜的深场观测揭示了这些波纹在X射线辐射气体中的涟漪。
声波也是压力波。如果我们将英仙座星系团中的这些涟漪转换成一个音符，它将比中音C低57个八度，人类的耳朵无法听到。然而，通过将英仙座星系团的声波调整到人类听觉范围内，钱德拉的声化项目（称为“声音的宇宙”）使任何人现在都可以听到星系团的声音，以及许多其他天体物理对象的声音。
英仙星团 | 在这张X射线图像中，我们看不到星系团内的星系，相反，图像突出了弥漫在星系团中的热气体涟漪。从中央 星系喷射出的巨大喷流在气体中形成了重叠的气泡，记录了喷流在整个宇宙历史中的活动情况。
钱德拉的主要目标是探测充满星系团的大量炽热、发出X射线的气体。大量的研究探讨了星系团的演化和动力学以及超大质量黑洞与大规模气体之间的相互作用。然而，也许X射线观测星系团最吸引人的应用是它可以提供暗物质存在的证据。
子弹星系团是一个极好的例子，它展示了两个星系团的合并。这个星系团的光线经过了34亿年的漫长旅程才到达地球。当天文学家同时使用钱德拉和可见光观测这个星系团时，他们发现炽热的X射线气体和星系团大部分质量的位置之间存在偏移。这些质量大多是“暗”的，它们通过引力透镜效应测量得出，并且它们的引力扭曲了遥远背景星系的可见光。
穿心子弹 | 钱德拉捕捉到了与两个相撞并穿过彼此的星系团有关的气体（粉红色）热量，这被称为子弹星系团（1E 0657-56）。右侧气体团块的子弹形状来自其穿过左侧气体团块。通过测量其对背景中遥远星系的引力效应来标记星系团的质量（蓝色）。星系以橙色和白色显示。大部分质量与热气体无关，如其他引力理论所提议的那样，因此这些星系团的大部分质量是看不见的。
为什么会有偏移呢？这是因为一个星系团的X射线辐射气体与另一个星系团的气体相互作用，减慢了速度，形成了典型的子弹状特征。然而，不相互作用的暗物质没有减速，而是继续前进。在多波段的图像中，星系团内的恒星也可见（它们也不相互作用，直接穿过彼此），但它们几乎不占总质量。这组观测首次提供了星系团大部分质量是某种形式的看不见物质的直接证据。
碰撞 | 这四幅艺术家插图展示了导致子弹星系团形成的碰撞过程；最后一幅图模拟了X射线图像中显示的实际数据。热气体为红色，暗物质为蓝色。当每个星系团相关的热气体相撞时，阻力使之减慢并重新塑造了它。然而，暗物质毫不减速地穿过。
/ 宇宙的死亡与生命
到目前为止，我们通过钱德拉的视角看到了更大规模的宇宙。然而，钱德拉的首次曝光图像可能是其最具标志性的观测之一，它展示了离我们更近的事物：仙后座A超新星遗迹。钱德拉的0.5角秒分辨率揭示了超新星爆炸中产生的中子星，并在更大尺度上展示了环绕这颗微小恒星的抛射层中从未见过的结构。研究超新星遗迹使天文学家能够理解恒星如何产生并传播化学元素，例如对地球生命至关重要的硫、铁和氧原子。
生命的元素 | 不同的化学元素发出不同范围的光子能量，使天文学家能够绘制其位置。这些图像显示了在仙后座A超新星遗迹内硅（红色）、硫（黄色）、钙（绿色）和铁（紫色）的分布。最高能量的X射线（蓝色）描绘了超新星的膨胀冲击波。
在二十多年的时间里，钱德拉定期观测这个超新星遗迹，并记录下它外观的变化。由于仙后座A以每秒5000千米的速度在膨胀，我们实际上可以从一张图像到另一张图像看到它的膨胀。通过将钱德拉从首次观测到现在的许多单独观测数据拼接在一起，可以制作出它膨胀的动画，这让我们能够像坐在“前排座位”一样，直接观察和研究这个超新星遗迹的物理过程。
在更小的尺度上，钱德拉与哈勃空间望远镜合作，探索了许多行星状星云，展示了恒星死亡后的美丽景象。在这些系统中，钱德拉探测到的弥散的X射线辐射是由热恒星遗迹的风撞击恒星抛射出的气体层产生的。行星可能不是你首先想到的X射线观测对象；然而，钱德拉也成功地探测到了太阳系中的几颗行星和小天体——包括矮行星冥王星。虽然冥王星本身不发出高能辐射，但太阳风粒子与冥王星稀薄大气中的气体碰撞会产生X射线。钱德拉能够探测到如此微小、遥远的世界——一个甚至比我们的月球还小的世界，这令我感到非常惊奇。
在庆祝望远镜25周年之际，我们不仅在回顾过去，也对未来充满期待——钱德拉在未来还会揭示宇宙的哪些秘密。
—— 节选自《中国国家天文》2024年11月刊
作者简介 /
阿科什·波格丹（Ákos Bogdán）是哈佛史密松天体物理中心的钱德拉X射线中心的天体物理学家。他对宇宙的奇观充满热情，并经常通过钱德拉的眼睛来感知它们。
译者简介 /
苟利军，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授，《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究方向为高能天体物理。
来源：老刘说科学