宇宙中的x射线（X射线是光的一种形式）

作者：文/虞子期

就本质而言，光就是一种处于特定频段的光子流，光源之所以能够发出光，是因为其光源中的电子获得了额外能量，而电子的加速运动则是以波的形式释放能量。X射线其实也是是光的一种形式，虽然X射线波长会比可见光的波长更短，但它的光子能量却比可见光的光子能量大几万、甚至是几十万倍。并且，X射线拥有一个最强大的本领，那就是能够穿透很多物质，哪怕是充满神秘与诸多未知的宇宙空间也不例外。

1895年，德国物理学家威廉·伦琴发现了一种新形式的辐射，这种神秘的辐射能够穿过许多吸收可见光的材料，还具有从原子中释放电子的能力，他将其称之为X射线（又称伦琴射线），以表示其未知性质。最终发现，就本质而言，X射线其实就是另一种形式的光。当带电粒子发生碰撞、或者它们的运动发生突然变化时，它们会产生一束被称为光子的能量，并以光速的速度从事件现场飞出。

而光是所有物质不断摇晃、振动、喧嚣的副产品，实际上，它们是光或电磁辐射所使用的技术术语。由于电子是已知最轻的带电粒子，因此，它们是宇宙中产生的大多数光子的原因。如果你能看到原子水平，你会发现原子和分子每秒都会振动数百万亿次，并相互撞击彼此，而电子则是以每小时约一百万英里的速度活动，而X射线便可以通过电子和质子之间的高速碰撞产生。

众所周知，光的表现可以采取多种形式。比如，无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线，以及伽马辐射，都是不同形式的光。科学家们可以通过光子的能量，来分析它是什么形式的光：无线电波由低能光子组成，光学光子是人眼能够感知的唯一光子，它比典型的无线电光子高出一百万倍左右。而X射线光子的能量，又比光学光子的能量高几百到几千倍。光子的能量会因为粒子碰撞、或振动时的速度而受到限制，温度也对对速度造成影响。比如，在炎热的一天，空气中的粒子比天气寒冷时活动更快，简而言之，物体产生的辐射波长，通常都与其温度有关。

当环境里的温度非常低时，会产生低能量无线电和微波光子；像我们人类这样约37摄氏度的冷体，则会产生红外辐射；而非常高的温度（数百万摄氏度），便会产生X射线。光子本身也可以与电子碰撞，如果电子比光子具有更多能量，碰撞便可以增强光子的能量。光子也可以通过这种方式，从低能光子变为高能光子。而这个称为康普顿散射的过程，被科学家们认为是重要的黑洞周围，密集的物质被加热到数百万度。通过X射线望远镜在太空中收集的光子，以揭示宇宙中的热点，即粒子通过巨大的爆炸，强烈的引力场被激发或升高到高温的区域。这些条件就存在于各种各样的地方，从星系之间的广阔空间，到中子星和黑洞奇异的坍塌世界。

当自由电子被质子或带电原子（离子）的电场加速时，发射的光子可以具有较宽范围的能量，这完全取决于电子移动的速度和加速的程度。而由此过程引起的光子能量分布，则被研究人员称为连续光谱，它可以绘制为平滑曲线。相反，如果电子围绕中性或带电原子（也称为离子）的原子核轨道运行，那么，该光谱则是一系列尖锐的峰或线。

这是因为原子中的电子轨道，受到量子理论规则的严格控制。而这些轨道，或更准确地说是能量状态，当其被特定量的能量分开，每种元素的原子，如氧，碳等，都有各自独特的能量状态。就像楼梯被特定高度分开一样、就像你无法移动阶梯之间的位置一样，原子中的电子也一样不能移动到能量状态之间的位置。通常情况下，原子中的电子都处于最低能量状态，就好比是位于楼梯的底部位置。

但是，如果原子被自由电子、另一个原子或光子碰撞所激发，那么最低能级将是没有电子停留的。其中一个轨道电子将迅速跳到这个水平，以特定能量的光子的形式释放能量。而这些光子，便会在光谱中产生发射线。由于存在于气体中的各种元素，由许多原子组成的热气体，将发出由许多发射线组成的光谱，哪怕是相反的过程也可能会发生。

当“光子流”遇到气体，那些能量对应于原子中能量水平的那些光子，将被原子吸收。而这个过程会在气体中产生一系列吸收线。仔细研究由特定元素的原子发射或吸收的光子的能量，便可以为该原子的能量状态提供蓝图。当科学家们了解这个蓝图或能谱之后，研究人员就可以在恒星和气体的辐射中寻找它，并确定每种元素的含量。通过这种方式，天文学家已经确定恒星主要由氢构成，并混合了氦和痕量的重元素，如碳，氮，氧等物质。

当高能粒子或X射线撞击不受原子最内能级的电子时，便会发生原子的X射线荧光，从而在这个过程中产生不稳定的原子。来自外能级的电子，会立即跳跃到较低能量状态，并发射具有原子特有的独特能量的X射线。比如，在黑洞的周围，当靠近黑洞的热气体所产生的高能X射线，与附近较冷的气体和尘埃中的铁原子发生碰撞之时，就会发生这种情况。

产生发射线还有另一种方法，那就是电荷交换。带电离子，例如，碳/氧离子与中性原子、或分子碰撞，并捕获其中一个电子。当捕获的电子下降到较低能量状态时，便会发射光子，电子会在中性原子和离子之间交换，这个过程就被科学家们称为“电荷交换”。在这种碰撞发生之后，随着捕获的电子移动到更紧凑的轨道，便会发射X射线，对于某些天体而言，这是非常重要的一个过程。比如，对于彗星而言，电荷交换就尤其重要，因为太阳风中的离子，会与彗星大气中的中性原子发生碰撞。

以上两种并不是全部情况，因为X射线光子也可以在不同条件下产生。当物理学家操作第一个粒子加速器时，他们发现电子可以产生光子，而且不会发生碰撞。这种情况的发生是可能的，因为加速器中的磁场会导致电子围绕磁场力线，以大螺旋的形式运动，而该过程就被科学家们称为同步辐射。在宇宙中，诸如电子的粒子可以通过电场和磁场，加速到接近光速的高能量。

来自宇宙源的同步辐射具有独特的光谱，或具有能量的光子分布。这些高能粒子可以产生同步加速器光子，其波长范围会从无线电通过X射线和伽马射线能量。同步辐射与来自热气体的辐射光谱相比，辐射能量会下降得相对更快。尤其是当在超新星遗迹、宇宙喷射或其他来源中观察到同步辐射时，它揭示了存在的高能电子和磁场的有关信息。而所谓的射线宇宙指的就是，通过探测X射线的望远镜所观察到的宇宙，因为，当物质被加热到数百万度时，宇宙中就会产生X射线。

“X并且，这种温度往往发生在高磁场、极端重力，或爆炸力保持摇摆的地方。来自Hydra A星系团的Chandra的X射线图像，是最大的宇宙X射线源之一，这个集群非常庞大，需要花费数百万年的时间来穿越它。当宇宙是目前大小的一半时，科学家们认为气体云曾被引力坍缩加热。在一簇星系中，这群巨大的热气体是几百万光年，包含了足够的物质，可以制造数百万亿颗恒星。与此同时，X射线望远镜还可以用来追踪来自爆炸恒星的热气体，或探测距离恒星黑洞事件视界90公里处的物质的X射线，以帮助科学家解答有关宇宙起源、进化和命运的基本问题。