2012 年 6 月 13 日，一架經過特殊改裝的 L-1011 客機「觀星者 Stargazer」正在南太平洋上空翱翔。隨著一聲「Drop!」，客機拋下了機腹下攜帶的「飛馬座 XL (Pegasus XL)」運載火箭，經過五秒的自由落體，飛馬座火箭點燃引擎，帶著 NASA 的新一代 X 射線太空望遠鏡「NuSTAR」飛向太空。距離今天，正好十年。
Credit: NASA/JPL-Caltech
X 射線天文學
X 射線的大名相信大家都耳熟能詳。在我們的日常生活中，它被用來穿透皮肉，拍攝你受傷的牙齒或骨骼；它也被用於機場海關的安檢機，檢查是否有人攜帶危險物品；在科學史上，X 射線繞射實驗更是被廣泛用於測量材料的精細結構，比如晶格的排列，或是 DNA 的雙股螺旋。但與此同時，X 射線也是天文學家用來研究宇宙中炙烈天體的重要工具。
宇宙中充滿著形形色色的天體。有些天體（比如巨大分子雲）寂靜而寒冷，有些天體則火爆而炙熱，比如正在進食的黑洞、星系團間的氣體、或是恆星的閃燄，它們都會發出強烈的 X 光。利用 X 射線來觀測這些天體，可以讓我們得到許多在可見光波段無法得到的資訊。
因此從 1960 年代開始，天文學家就開始想辦法將各種 X 光望遠鏡送上太空。如今，有超過十座 X 射線太空望遠鏡正在運行中。其中一個就是今天的主角：NuSTAR。
NuSTAR
NuSTAR 全名核光譜望遠鏡陣列（Nuclear Spectroscopic Telescope Array），是一座觀測 X 射線的太空望遠鏡。比起錢卓（Chandra）、XMM-牛頓（XMM-Newton）這些同樣觀測 X 射線的著名同事，NuSTAR 相對沒什麼人認識。但事實上，它是唯一一個可以在 3 到 79 keV 的高能 X 射線波段拍攝天體影像的望遠鏡。其他的望遠鏡不是觀測的能量較低（比如 Chandra、XMM-Newton、eROSITA），就是沒有辦法拍出清晰的照片（比如慧眼、Hitomi ）。
而之所以能拍出清晰的照片，要歸功於 NuSTAR 的特殊設計。與多數人熟悉的可見光不一樣，X 射線的光子很難用傳統的鏡面反射和聚焦，因此 X 射線望遠鏡所使用的鏡片，是由一圈一圈極為光滑的金屬環構成，它們可以讓 X 射線光子像打水飄一樣輕輕掠過，稍微改變方向，最後聚焦在感光元件上。
（左）NuSTAR 的鏡組，由一圈一圈的金屬還組成。（右）X 射線望遠鏡鏡組聚焦光線的方式。
Credit: NASA/JPL-Caltech｜Cmglee
但這樣「輕輕偏折」光子的設計，也讓 NuSTAR 的焦距長達 10.15 公尺，遠大於飛馬座火箭所能容納的尺寸。因此，科學家與工程師們想出一個妙招，他們把這些 X 射線鏡組裝在一個可伸長的「桅杆」上。在發射之前，鏡組與衛星本體僅僅靠在一起。升空進入軌道之後，再把桅杆伸長，把鏡組推到 10 公尺遠的地方，就能把光子聚焦在位於衛星本體的感光元件上了！
（左）地面上的 NuSTAR 與（右）其展開前後的構造對比。Credit: NASA/JPL-Caltech/Orbital｜NASA/GSFC
NuSTAR 的展開過程。
NuSTAR 的科學貢獻
升空十年來，NuSTAR 在天文的多個領域都做出了重要的貢獻。利用 NuSTAR，天文學家得以研究木星、太陽發出的 X 射線，以及活躍的中子星和超新星殘骸等天體，甚至可以測量黑洞的自旋。對研究黑洞物理的天文學家來說，這可是非常珍貴的能力呢！
不同自旋的黑洞在吸積的時候，其吸積盤的最內穩定軌道（ISCO）的大小跟黑洞的自旋有關。而 ISCO 的位置，又會以重力紅移（Gravitational Redshift）效應影響吸積盤發出的光譜形狀。因此藉由測量吸積盤的光譜，就可以反推出黑洞的自旋。
Credit: NASA/JPL-Caltech
NuSTAR Science Highlight｜CfA Colloquium
總結
目前 NuSTAR 的任務仍在進行，且各項功能都正常發揮。
在恭喜它十歲生日的同時，也期待 NuSTAR 的下一個十年，仍能繼續在高能天文物理發光發熱！