“龍蝦眼" 成像儀可探測軟X射線輻射

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集成儀器原型，前面是光學組合件，背面是電子設備盒。圖片來源：NASA

太陽風可以加劇近地空間的危險天氣事件，從而危害衛星等空間資產。爲此，一個大型的跨學科研究團隊，在美國國家航空航天局的帶領下研製出了一種能夠探測太陽風遇到中性氣體所產生的的軟X射線輻射的寬視場軟X射線輻射成像儀。

在本週由美國物理聯合會出版的期刊《科學儀器評論》中，圍繞“龍蝦眼光學”和成像儀在未來宇宙探索中的應用，研究者們論述瞭如何製作和啓用該成像儀。

該成像儀的設計靈感源自十年前堪薩斯大學（the University of Kansas）的 Tom Cravens 和Ina Robertson創立的模擬模型，他們證實了太陽風和地球磁層殘餘大氣之間的相互作用可以通過軟X射線成像，這兩位科學家現已參與了這項工作。

在太陽的表面，離子風連續不斷地吹過所有緯度和經度—它們佔據了整個日光層並與中性氣體相互作用。這種太陽風主要是由質子組成，同時也包含大量高電荷態重離子。當這些離子與氣體相互作用時，彼此間會發生電荷互換反應，得到處於激發態的電子，從而導致高電荷態離子放射軟X射線光子。

而該成像儀用來探測的正是這一類軟X射線輻射。

什麼是“龍蝦眼”？

"龍蝦眼"光學器件是一種聚焦軟X射線的光學元件，由英國的University of Leicester和法國的Photonis Corp.共同研發，其靈感來源於生物界中龍蝦眼睛獨特的結構形式。

該光學元件是由“一系列邊長爲20微米的方型玻璃孔，彎曲排布成半徑爲75釐米的部分球面而形成”，Michael R. Collier解釋說，他是美國宇航局Goddard太空飛行中心(NASA's Goddard Space Flight Center) 的天體物理學家，也是論文的第一作者。“我們所設計的成像儀，其工作原理和龍蝦的眼睛相同，因此而得名，它能將軟X射線的光子聚焦到位於球面半徑一半的平面上。”

在太空中使用這樣的寬視場成像儀，其意義何在？“它將帶我們進一步瞭解地球表面太陽風和磁層的成像能力，”Collier說。“這也是將一種理論，也就是關於該物理現象的所有計算和模擬，成功轉換成一種有用的科學能力的例子。”

爲此，太陽風與地球磁層相互作用的全球成像將使得追蹤流入大氣的能量和動量成爲可能。“地球附近危險天氣事件的能量都來源於太陽風，所以這種成像能力使得我們能更好地保護空間資產--特別是與地球同步運行的航天器，比如那些攜帶手機信號的航天器，”他補充說。

在應用方面，歐洲航天局和中國科學院正在爲一個項國際合作項目“太陽風--磁層相互作用全景成像衛星計劃（Solar Wind Magnetosphere lonosphere Link Exporer)”，也叫SMILE項目制定方案，其中將包括具有龍蝦眼光學特點的寬視場軟X射線成像儀。“這次任務的目的是獲得太陽風和磁層相互作用的全球影像—目前有還有待實現，”Collier說。

研究團隊下一步的計劃是什麼呢？“這些軟X射線能夠在太陽系中太陽風遇到中性氣體的任何地方被觀察到--包括地球，月球，火星，金星，和彗星，”Collier強調。“因此，我們將繼續探索這項技術在其他行星上執行任務的可行性。”（美國物理聯合會 張錚錚）