宇宙的「骨架」：全天X射線星圖揭示暗物質奧秘

2020-09-05 新浪探索

這張X射線地圖不僅僅是一張漂亮的桌面背景

　　新浪科技訊 北京時間8月25日消息，據國外媒體報導，俄羅斯和德國合作的「光譜-倫琴-伽瑪」（Spectrum-Roentgen-Gamma，簡稱SRG）太空望遠鏡任務搭載的eRosita儀器近日完成了對100多萬個高能X射線源的分類，該數量超過了這項研究之前的記錄。

　　從公布的圖片可以看到，我們的天空被X射線照亮，其電磁光譜範圍內的能量遠高於可見光。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；這是由於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，但在其餘的光譜中，包含著關於銀河系和宇宙的寶貴信息。射電天文學誕生於1932年，當時卡爾·央斯基（Karl Jansky）正在研究是什麼幹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，並最終確定

在電磁波譜中不同波長下的蟹狀星雲超新星，每一個圖像都顯示出不同的特徵

最強的背景噪聲來源於銀河系中心

　　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，但由於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。當恆星死亡時，巨大的超新星爆發在衝擊波中壓縮氣體，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恆星的殘餘，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。黑洞實際上並不發射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，當黑洞旋轉並產生磁場時，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」，其中有一顆為緻密星，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，後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，儘管較為微弱。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射線輻射可以用於研究磁場及其對日冕加熱的影響。

　　最後，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，這是由於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，並可能為暗物質研究提供線索。

　　什麼是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。由於X射線屬於高能的電磁波譜，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、脈衝星、伽馬射線暴、超新星遺蹟、活動星系核、太陽活動區，以及星系團的高溫氣體等。由於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。高解析度的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徵譜線。而空間X射線衛星已經獲得了不亞於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。（任天）

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