昌德拉X射线望远镜

以其达1角秒的高分辨率探索X射线源，借此探索太空中的黑洞及暗物质与元素在宇宙中的分布。

望远镜的名字是纪念印度裔美国天文学家昌德拉塞卡(1910~1995)而"昌德拉"本身也是印度教月神的名字。

在不能用直接成像望远镜获得X射线天体的成像观察时，人们研究了非直接成像望远镜的技术，主要有准直型望远镜和编码孔径成像技术。

根据成像方式的不同，X射线望远镜分为非成像望远镜和成像望远镜两类。准直型望远镜是技术最简单的一种非直接成像X射线望远镜，编码孔径望远镜是使用比较广泛的一种非直接成像望远镜。在编码孔径技术中，由于编码方式和码盘的大小可根据观测能量范围的大小而改变，所以得到了广泛的应用。编码孔径望远镜也是最早用于X射线天文观测的X射线望远镜。根据成像光学系统的不同，X射线直接成像望远镜分为正入射周期多层膜望远镜、掠入射单层膜望远镜和掠入射非周期多层膜望远镜。两类X射线望远镜相比，非直接成像望远镜的最大优点是在技术条件限制不能用直接成像方法获取图像的情况下，观测高能天体，并且方法简单，但成像质量差，分辨率低，获取图像的过程复杂。而直接成像望远镜的图像质量比前者好。但它的成像光谱范围窄，最高能量仅达几十keV，而前者则可以高达几十MeV。

(1)准直型望远镜

在硬X射线能段，无法用折射和反射成像，在硬X射线探测器前加准直器构成准直型X射线望远镜，可以实现对准直器视场内局部天区的定向观测，但无法分辨出视场内的源，同时还必须分别对源区和背景天区进行交替观测。在探测器前放置两层或多层平行的吸收栅条可构成直线调制和旋转调制成像望远镜。对扫描观测获得的周期性强度调制信号进行傅里叶分析或相关分析，可以对分离源定位。为了减小影像旁瓣、消除空间对称位置的假象、分辨多个源和实现对点源与弥散源的同时成像，需要多个调制探测系统组成复合型望远镜，限制了这一类扫描调制望远镜在宽视场、高灵敏度和高分辨率成像探测中的应用。我国学者提出用非线性约束迭代直接解成像方程以复还图像的方法，对模拟数据以及空间实测数据的分析结果表明，直接解调方法比传统的成像法灵敏度高、分辨能力好。

在满足一定的灵敏度、角分辨和成像范围要求的条件下，直接调制望远镜的技术简单、重量轻、外形尺寸小。并且对姿态的要求低。用卫星或空间站载调制望远镜易实现高灵敏度高分辨率的硬X射线巡天观测。对不同波段的探测器用同一类型准直器进行强度调制，可以实现观测视场、灵敏度、角分辨等方面互相匹配的多波段空间观测。用不同指向的多个探测器还可以实现对某些高能爆发的定位观测。

(2)编码孔径望远镜

编码孔径望远镜是一种非聚焦成像望远镜。编码孔径成像技术是1968年Ables等人首次提出的一种能用于X射线天文成像的方法。它采用的技术是通过编码方法来实现对入射光线的入射方向和强度进行采集，然后再通过探测器收集信息后解码成图像。

1977年8月12日HEAO-1(high astronomy observatories)成功发射，首次完成了较高灵敏度的高银纬X射线巡天观测，测量出3-50keV范围内的X射线的背景辐射等，实现了天文望远镜发展史上的一次飞跃。目前正在使用的编码孔径望远镜的工作波段也已经扩展到600keV(EXITE2)。在未来的天文卫星项目中，人们试图通过改进编码孔径成像技术所需要的一些软硬件条件，如不同的编码方法，探测器的发展和排列方式等，计划提高望远镜的角分辨率和视场，同时把它的能量范围扩展到几十MeV(如INTEGRAL)和几十GeV(如意大利的研究项目MAGIC)。EXIST是美国NASA正在研制的工作能段为(约5-600keV)的宽视场编码孔径望远镜陈列，预计2010年发射，它将首次完成高灵敏度X射线巡天成像观测。

编码孔径技术的特点是在探测器探测信号以前先对入射线的方向进行编码，然后再对探测器探测到的信号通过解码重建图像。即首先采用空间编码进行入射X射线的位置和强度信息的数据积累;然后再把探测器探测到的这些积累数据进行解码，也就是说重建所观测到的那部分的物体，即是一种"两步"过程。编码孔径望远镜具有方法简单，可通过制备尽可能大的编码板来增加视场，用小而密的编码板提高带宽等优点。然而编码孔径技术中的编码板编码技术复杂，需要探测器的角度和空间分辨率都高且体积也大，图像中的每一个像点受到整个探测器内所有探测到的光子的噪声的影响，并且由于反解成像，易出现孪像，有时相同的数据采用不同的算法会得到不同的图像，这时需要根据人们的认识和对图像的比较选取符合实际的图像作为最后的图像。为了获得直接准确的信息，需要研究X射线成像望远镜。

(1)正入射周期多层膜望远镜

]20世纪80年代后，随着软X射线多层膜技术的发展，出现了新一代软X射线多层膜正入射成像望远镜。正入射望远镜的反射光学元件是周期多层膜，其使用范围是在极紫外和软X射线波段，是目前使用的比较成熟的技术。1985年10月，由美国Lockheed Palo Alto实验室和劳伦斯伯克利实验室合作研制的望远镜成功地进行了SiⅦ4.4nm处太阳日冕的观测。该望远镜的反射元件是峰值反射率波长在4.386nm的W/C周期多层膜(dw=0.765nm，dc=1.45nm)。1987年10月由美国马歇尔空间飞行中心和劳伦斯利弗莫尔国家实验室研制的正入射卡塞格林型Mo/Si多层膜(dMo=3.68nm，dSi=5.52nm)望远镜再次成功地进行了17.1-17.5nm处太阳日冕观测，Mo/Si多层膜反射率为35%，望远镜角分辨率达1.2″。美国LockheedPaloAlto实验室和科罗拉多大学大气与空间物理实验室合作研制了17.1nm焦距为0.75m、分辨率为1.5″的正入射望远镜，其Mo/Si多层膜在17.1nm处具有33%的反射率。该望远镜于1988年3月发射，利用光电探测器记录到了日蚀前太阳软X射线图像。此卫星直至现在还没有上天。美国的Los Alamos和Sandia国家实验室正在研制低能X射线成像传感器阵列(ALEIS)，工作波段为17.7-11.3nm。由六个广角多层膜正入射望远镜组成，其聚光面积为25cm，分辨率为30″。美国斯坦福大学和利弗莫尔国家实验室研制的多光谱望远镜阵列(MSSTA)由17个软X射线多层膜正入射成像望远镜组成。美国自1994年开始研制过渡区和日冕探测者(TRACE)极紫外波段探测器，采用的是卡塞格林型望远镜。目前我国也研制了首台正入射极紫外波段太阳望远镜，其理论角分辨率比正在太空中飞行的TRACE角分辨率高一倍，这个极紫外波段的望远镜将作为太阳望远镜卫星的一部分正在进行立项。

(2)掠入射单层膜望远镜

1952年，德国科学家Wolter提出了基于二次旋转对称曲面的掠入射X射线成像系统设计原理。但由于当时工艺水平和制造技术的限制，直到20世纪70年代这种掠入射成像系统才在X射线天文观测和研究中得到广泛应用。受薄膜设计和制备水平的限制，人们首先利用单层金属薄膜全反射原理和Wolter I型结构来设计X射线望远镜。在以后的几十年里，美国，日本，俄国等国家进行了一系列的X射线望远镜的研究项目，已经发射或研究结束的有Einstein，EXOSAT，ROSAT，AXAF(Chandra)，JET-X(SRG)，ASCA(ASTRO-D)，ASTROE，XMM-Newton，正在研究的有XEUS。

Einstein(HEAO-2)卫星是美国NASA发射的，该卫星首次把掠入射X射线直接成像望远镜带入太空，其角分辨率、视场和灵敏度比以前的望远镜都有很大提高，特别是灵敏度较以前的编码孔径望远镜提高了几百倍。这个卫星有一个高分辨率望远镜和能够将焦平面定位在四个探测器之一的焦平面组件，不同的探测器相应的性能有一定差别。ROSAT(the Roentgen Satellite)卫星所载德国研制的X射线望远镜和Einstein的类似，其分辨率和灵敏度有所提高，是当时所能实现的最大的X射线成像望远镜，它首次实现了X射线巡天观测，提供了大量新的科学数据。美国NASA和日本共同研制的AS-CA(The advanced satellite for cosmology and astrophysics，又称ASTRO-D)首次把X射线望远镜的工作波段提高到10keV，并首次使用了紧密嵌套结217实验技术物理构掠入射反射式光学系统和在X射线天文观测中使用CCD探测器，为当时正在研究和将来研究的天文学项目，如XMM，XEUS，提供了技术基础。后来美国发射的AXAF(advanced X-ray astrophysics facility)卫星是美国NASA发射的第三个重大的天文观测卫星，是当时最复杂最精细最大的X射线观测仪，成像质量好。欧洲航天局(ESA)主持研制的XMM-Newton卫星有3个相同的高性能X射线望远镜，每个望远镜由嵌套在一起的58个Wolter I型望远镜组成，有效聚光面积高达4650cm2，每个望远镜焦平面探测器不同。XMMNewton不但能够获得观察天体的图像，而且能谱分辨本领很高。ASTRO-E是日本研究的用于X射线天文研究的卫星。2000年2月，由于火箭发动机故障而没有发射成功。但它的研究基础和技术条件为后续研究工作提供了很好的基础条件。

(3)掠入射非周期多层膜望远镜

在X射线波段，反射镜全外反射的临界角和入射的光子能量成反比，因此，金属单层膜的全反射临界角随着入射光能量的增加而减小，采用紧密排列内嵌式反射镜结构也仅仅使望远镜的工作波段提高到10keV，即使采用最长焦距的望远镜也不能在10-20keV波段获得一定的反射。在入射光的能量大于10keV的范围内，晶体反射镜[24]可以实现辐射的聚焦，但它的带宽比较窄，视场也特别小。后来人们发现在较大掠入射角时，周期多层膜可以反射X射线，并且带宽比弯晶大10倍，比平晶大100倍。即便这样，其带宽仅达2keV，使周期多层膜反射镜在硬X射线成像望远镜中的应用受到很大限制。

受到中子超反射镜的启发，人们开始研究掠入射非周期多层膜(即X射线超反射镜)对硬X射线的反射。在非周期多层膜中，通过调节每一个膜层对的厚度，在一定的掠入射角度(或入射能量)下，使上面的膜层反射能量比较低的入射线(在大角度时具有较高反射率)，下面的膜层反射能量较高的入射线(在小角度时具有较高反射率)，从而获得能带较宽且反射率比较平坦的X射线反射镜。

龙虾是通过在一个眼球上的许多小立方体阵列侧壁的反射来观察物体的。用"龙虾眼"这种成像方式可以建造X射线掠入射成像光学系统。1975年，Schmidt最早提出用两层互相垂直放置的玻璃片构建X射线天文望远镜，1979年，Angel提出用正方形截面的柱体阵列掠入射反射来制作X射线天文望远镜。在这样的望远镜中，每一个小立方柱体都按照同一个球面排列，通过小立方柱体相邻两个面反射的光线将会聚在一个焦球面上。只经过一次反射的光线将会聚成一条线，它在成像系统中形成渐缩的十字线的背景。没有反射进入系统的光线形成弥散的背景。每个小立方柱体的高度将产生一定的散焦，而探测器与每个立方柱体的倾角将限制成像系统的分辨率。这种望远镜的主要优点是观测范围广、灵敏度高、体积小、重量轻。

目前，世界上许多国家都在研究"龙虾眼"型望远镜，其中美国NASA研制的Lobster-ISS计划于2009年成为国际空间站的有效载荷，用于天体0.1-3keV X射线源的监控。

X射线太空望远镜是美国核分光望远镜阵列计划中的用于观测的望远镜，"核分光望远镜阵列"由高能X射线聚焦望远镜和配套分光镜组成，图像分辨率是前几代太空望远镜的10倍以上，灵敏度更是100倍以上，能比以往太空望远镜更清晰地观测宇宙高能X射线。