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宇宙的“骨架”:全天X射線星圖揭示暗物質奧秘
發布時間:2020-09-09     作者:   來源:環球科學   分享到:

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從公布的圖片可以看到,我們的天空被X射線照亮,其電磁光譜范圍內的能量遠高于可見光。紅色代表低能量區域(0.3~0.6 keV),綠色代表能量中檔(0.6~1 keV),藍色則代表高能量(1~2.3 keV)。沿著橢圓圖像的中線,我們看到了銀河系,它作為唯一的高能量源出現;這是由于銀河系中大量的塵埃和顆粒散布在夜空中,可以被我們看到。明亮的黃色和綠色斑塊表示高能事件,如超新星和超大質量黑洞爆發。整幅圖像中出現的白點便是接近一百萬的X射線源。

你可能十分熟悉哈勃太空望遠鏡拍攝的那些令人驚嘆的可見光圖像,但在其余的光譜中,包含著關于銀河系和宇宙的寶貴信息。射電天文學誕生于1932年,當時卡爾·央斯基(Karl Jansky)正在研究是什么干擾了跨大西洋的無線電信號。他在貝爾實驗室架設天線,接收來自各個方向的無線電波信號,并最終確定

在電磁波譜中不同波長下的蟹狀星云超新星,每一個圖像都顯示出不同的特征

最強的背景噪聲來源于銀河系中心。

射電天文學通過電磁波頻譜以無線電頻率研究天體,其技術與光學相似,但由于射電望遠鏡觀測的波長較長,所以更為巨大。無線電波能夠穿透地球的大氣層,使我們能夠從地球表面觀測它們,比如利用阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列。然而,X射線不能穿透地球的大氣層,因此必須從太空或非常高的高度進行觀測。直到20世紀60年代,才出現第一個對太陽系外X射線源進行觀測的太空計劃。

像eROSITA這樣的儀器可以觀察到我們周圍宇宙中最劇烈的事件。X射線是一種短波長的高能電磁輻射,當氣體被加熱到數百萬度時就會釋放出來。當氣體被壓縮或加速時,也會發射出X射線。當恒星死亡時,巨大的超新星爆發在沖擊波中壓縮氣體,X射線從耀斑中釋放出來。在X射線光譜中,我們還可以發現死亡恒星的殘余,或者中子星(中子星密度非常大,一小塊中子星物質就比地球上所有的人都重)或者黑洞。黑洞實際上并不發射X射線,它們實際上是黑色的,因為所有的電磁輻射都被吸進去了;但是,當黑洞旋轉并產生磁場時,聚集在奇點中的物質的確會在X射線光譜中發出信號。有一類發出明亮X射線輻射的雙星系統被稱為“X射線雙星”,其中有一顆為致密星,通常為中子星或黑洞。該雙星系統由具有較大引力的“加速器”和“供體”組成,后者提供的氣體在向中子星或黑洞加速時被過熱。

一個X射線雙星系統,一個黑洞將物質吸入的過程中發射出X射線波

太陽也會釋放X射線,盡管較為微弱。科學家用X射線來研究太陽物理學中一個有趣的難題。日冕是太陽的外層,比太陽的其他部分要熱得多,其溫度為100萬至300萬 K,而太陽的平均溫度約為5570 K。太陽耀斑的X射線輻射可以用于研究磁場及其對日冕加熱的影響。

最后,這張新的X射線源地圖可能是理解暗物質的關鍵。2012年,Jee等首次在錢德拉X射線天文臺觀測到正在碰撞的星系,它們在X射線發射和質量分布上顯示出明顯的分離。有理論認為,這是由于暗物質造成的引力透鏡所引起的,導致光線的彎曲和剪切。這是暗物質存在的有力證據。eROSITA的巡天觀測將提供大量的X射線源數據,并可能為暗物質研究提供線索。

什么是X射線天文學?

碰撞的星系顯示出X射線(粉色)和引力(藍色)的解離,這可能表明暗物質的存在

X射線天文學是以天體的X射線輻射為主要研究手段的天文學分支,通常以電子伏特(eV)表示光子的能量,觀測對象為0.1keV到100keV的X射線。其中,0.1~10keV的X射線稱為軟射線,10~100keV的稱為硬射線。由于X射線屬于高能的電磁波譜,因此X射線天文學與伽馬射線天文學同稱為高能天體物理學。

宇宙中輻射X射線的天體包括X射線雙星、脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、活動星系核、太陽活動區,以及星系團的高溫氣體等。由于X射線無法穿透地球的大氣層,因此只能在高空或者大氣層以外觀測X射線源。空間天文衛星也因此成為X射線天文學的主要工具。

20世紀40年代以來,X射線天文學已經從簡單的X射線源觀測轉向X射線光譜學的精細研究。高分辨率的X射線光譜首先由愛因斯坦衛星上的光譜儀獲得,如今,錢德拉X射線望遠鏡和XMM-牛頓衛星使得天文學家能夠識別出特征譜線。而空間X射線衛星已經獲得了不亞于地面大型光學望遠鏡的空間分辨能力,同時,數據處理水平也在快速提高,這些都令X射線天文學成為天文學中觀測資料最豐富、研究最活躍的領域之一。

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