从宇宙的黑暗部分到太阳系天体，如何通过X射线获取关键信息？

小雨敲窗y

作者：文/虞子期

随着人类对宇宙探索的不断深入，我们开始对各类天体的演化过程更加了解，也对宇宙的构成有了清晰的轮廓。尽管这个看似熟悉的宇宙仍然充满着诸多未知，但至少我们知晓了宇宙的大部分物质都是黑暗的，且无法通过目前的任何技术实现对它的直接观测。那些构成行星或恒星的质子、中子和电子，都仅仅是宇宙质量和能量中极小的一部分，科学家们现在能做的就是通过X射线，去揭示其余关于宇宙黑暗部分的秘密。X射线天体物理学，不仅可以帮助我们了解自己身处的这个宇宙空间，更是物理学探索中至关重要的一个部分。那么，科学家们是如何通过X射线来观测宇宙的不同部分，以及我们太阳系中的各大天体？

X射线如何探测宇宙的黑暗部分

众所周知，暗能量和暗物质是宇宙中最大的两个部分，也是黑暗宇宙的主要构成。在宇宙的所有物质构成中，虽然人类目前对它们的了解相对较少，但可以确定宇宙的最终命运走向，便主要由这两种物质共同决定。在一般情况下，暗物质会将宇宙的黑暗部分聚集在一起，而暗能量则往往会将它驱散，若要充分的了解这样的宇宙事件，我们需要用到一切可能有利于观测的科学工具。在20世纪末的时候，我们对宇宙的看法受到了很大的震动，因为大爆炸之后的宇宙加速膨胀，其扩张的速度并没有随着时间而减缓。

宇宙的这种加速现象是一种神秘的暗能量形式，还是缺乏对于引力的理解？X射线天文学正在通过强大的技术研究星系团，以解决这个困扰已久的难题，并且，这些技术目前正在采用，在之后的时间里也会提出更多其他更好的方法。而宇宙的另一个重要未知物质，它的名字叫做暗物质。我们可以通过观察宇宙中目前已知物质的引力效应，从而推断出宇宙剩下的85%都是由不会发光的物质所构成，并且，它们拥有与恒星和行星完全不同的物质组成。科学家们可以通过X射线来研究暗物质在各种环境中带来的影响，以实现对遍布于宇宙中的这种神秘物质的性质有所收获。

利用X射线挖掘可观察的宇宙

若将宇宙的整个组成形容为一个馅儿饼，那么我们能用眼睛和望远镜所看到的一切，仅占据这个馅饼的5%左右，这个数据包括了星际气体与尘埃、恒星和行星等所有可见部分。在发现暗物质之前，我们曾以为这5%便是整个宇宙的所有构成。现在，科学家们开始通过计算机、望远镜等先进的工具进行可观测宇宙中的探索，包括哪些令人兴奋的物体、现象和事件的信息，我们可以通过这些微小但重要的内容，窥探到更大的黑暗宇宙。在已经过去的十多年时间里，天文科学家们验证了X射线是宇宙探索工具箱的基本组成

部分，即一个宇宙中的许多波长

在可见宇宙的组成部分中，星系团算得上是最重要的结构，这些巨大的物体所包含的单独星系甚至可以达到数千个。它们通过重力结合在一起，沉浸在巨大的热气云中，并被大量不可见的暗物质所聚集。在钱德拉等X射线卫星的观测下，可以收集到这些热气体在不同温度下的辐射情况，其实际质量远超过该星系本身。因为星系团本身的质量和大小，以及丰富的暗物质储量，让其成为了研究整个宇宙性质的宝贵实验室。比如，宇宙中最庞大的星团之一珀尔修斯集群，便是包含了数千个星系、质量相当于数万亿个太阳的一个巨大星系团。整个集群的内部区域因为声波而被加热气体，阻碍了气体冷却以高速率的制造恒星，同时也说明了在该系星的中心，存在一个相对微小但巨大的黑洞，因为它的控制范围远超出了星系范围内的气体加热和冷却。

当一颗恒星以剧烈爆炸的方式来结束自己的生命之时，明亮的超新星也因此而产生，并且超越了它们的“家庭”星系。在它们的生命演化周期中，恒星会将氦气和氢气转化为更复杂的重元素，然后在恒星爆炸的时候分布到太空中。比如，我们地球上包括生命在内的所有东西，其实都应该归功于上一代超新星的恒星灭亡。那些超新星中的参与物质，在X射线光中的发光时间甚至可以达到数千年，并在这个过程中向敏感的X射线望远镜传递它们的秘密信息。比如，科学家们观测到的银河系中最年轻的超新星遗迹Cassiopeia A（简称Cas A），在钱德拉的图像中，蓝色的纤细弧线呈现了爆炸所产生的膨胀冲击波发生了加速，而其中绿色和红色的区域，则显示了那些被破坏、且已被加热至数百万度的恒星物质。

或许你有所不知，在最近的附近宇宙中，大约有一半的重子物质都处于下落不明的状态，也就是所谓的中子和质子，存在于早期宇宙中的它们去了哪里呢？关于这个问题的答案，其中有一个这样相对最合理的推论，即：那些缺失的中子，成为了一个极端分散的“网状气体云系统”的构成部分，参与了星系和星系团的形成。而检测这些缺失的重子有一个最好的方法，那就是它们微弱却而已被观察到的X射线特征。比如，被探测到的Mkn 421X射线吸收现象，若该星系际X射线吸收云的大小和分布都具有代表性，那么，该光谱就可以证明宇宙中的大部分原子和粒子都位于我们难以看到的宇宙网中。

来自太阳系物体的X射线辐射

尽管太阳系中的彗星、卫星和行星的温度，远低于产生宇宙X射线应该具备的温度条件，但科学家们已经发现这些较冷天体产生X射线的不同方式，这些来自太阳系物体的X射线辐射，为科学家们提供了其他望远镜难以获取的许多重要信息。在地球延伸的外层大气中，地冕中的氢原子与碳、氧和氖离子之间发生碰撞，然后便有了地球的地冕X射线证据。科学家们将这个过程称为电荷交换。当大气中电子的中性原子和太阳风中的粒子之间发生交换，移动到更紧凑轨道的电子会发射出X射线，而这些X射线的能量，便等于电子轨道能量状态的差异。

科学家们可以利用电荷交换过程中碰撞能量的X射线光谱，与具有敏感X射线光谱仪的其他过程区分开来。在整个太阳能系统中，都运行着这样的电荷交换过程，且对于彗星而言尤为重要。我们都知道，在彗星的周围布满了尘埃和气体云，研究人员对彗星大气中电荷交换所引起的X射线进行研究，可以提供彗星旋转和彗星大气结构的信息，以及太阳风中存在元素的重要提示。而在不远的将来，科学家们需要进一步探测太阳系中、恒星周围数百颗彗星集合中的X射线，那些相对年轻的恒星具有更强劲的恒星风，因而成为了最好的探索目标选择。

从位置上来说，金星和地球处于相对的方向，因而来自金星和某种程度上的地球X射线，都是因为太阳X射线照射到大气中的荧光，金星的钱德拉图像呈现出了半月牙的外观。在行星表面上方大约120公里的地方，被吸收的太阳X射线将电子从原子内部推出，从而将原子激发到了更高能级，恢复低能状态的原子发出了荧光X射线。而来自火星大气中氧原子的荧光X射线，与金星上的具有很高相似性，即使是巨大的沙尘暴也不会对X射线的强度带来任何变化。而那些位于火星表面7000公里左右的地方，也探测到了微弱的X射线光环，它们的存在可能与火星脆弱的极端高层大气和太阳风电荷的交换过程有关。

木星因自身存在的强大磁场，总能以不同的方式产生X射线的环境，比如，当那些来自太阳的高能粒子被捕获，便会在其磁场中加速，直到达到极性区域产生X射线。它们会和木星大气中的原子发生碰撞，在木星的北极和南极附近都具有强烈的X射线浓度，而弱赤道X射线发射，则可能是受到了太阳X射线的反弹。同时，由于月球表面也受到了来自太阳的X射线影响，导致来自月球的X射线是因为“荧光”而产生。当月球表面上的原子吸收了太阳X射线，电子会从原子内部撞出、并激发更高的能级。随着荧光X射线的发射，原子几乎立刻就恢复到了较低能量时的状态，并以类似的方式，紫外光产生了荧光灯一般的可见光。由于荧光X射线原子的独特性，科学家们可以利用这种X射线来探测其中存在哪些元素。

原文地址：今日头条