作者：文/虞子期
随着人类对宇宙探索的深入，我们开始更多地了解各种天体的演化过程，对宇宙的构成有了清晰的轮廓。虽然这个看似熟悉的宇宙仍然充满了许多未知，但至少我们知道宇宙中的大部分物质都是黑暗的，目前任何技术都无法直接观测到。组成行星或恒星的质子、中子和电子只是宇宙质量和能量的极小一部分。科学家现在能做的是通过X射线揭示宇宙黑暗部分的其余秘密。x射线天体物理学，不仅可以帮助我们了解我们生活的空间，而且也是物理探索中至关重要的一部分。那么，科学家们是如何通过X射线观测宇宙的不同部分和我们太阳系的主要天体的呢？
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部分，也是暗宇宙的主要组成部分。在宇宙的所有物质成分中，虽然目前人类对它们的了解相对较少，但主要是由这两种可以决定宇宙最终命运的物质决定的。一般来说，暗物质会聚集宇宙的黑暗部分，而暗能量往往会将其驱散。为了充分理解这样的宇宙事件，我们需要使用一切可能有利于观测的科学工具。20世纪末，我们对宇宙的看法发生了巨大的动摇，因为大爆炸之后，宇宙迅速膨胀，其膨胀速度并没有随着时间而减缓。
宇宙的这种加速是暗能量的一种神秘形式，还是对引力缺乏了解？x射线天文学正在通过强大的技术研究星系团，以解决这个长期存在的难题。而且，这些技术目前正在被采用，将来会提出更多其他更好的方法。宇宙中另一种重要的未知物质叫做暗物质。通过观察宇宙中目前已知物质的引力效应，我们可以推断出宇宙剩余的85%是由不发光的物质组成的，它们具有与恒星和行星完全不同的物质组成。科学家可以通过X射线研究暗物质在各种环境中的作用，从而对这种遍布宇宙的神秘物质的性质有所收获。
利用X射线挖掘可观察的宇宙
如果把整个宇宙的构成描述成一个大饼，我们用眼睛和望远镜能看到的东西只占这个大饼的5%左右。这些数据包括所有可见的部分，如星际气体和尘埃，恒星和行星。在发现暗物质之前，我们认为这5%就是整个宇宙的全部成分。现在，科学家开始通过计算机和望远镜等先进工具探索哈勃体积，包括令人兴奋的物体、现象和事件的信息。我们可以通过这些微小却重要的内容窥探到更大的黑暗宇宙。在过去的十年里，天文科学家已经验证了X射线是宇宙探索工具箱的基本组成部分。
部分，即一个宇宙中的许多波长
在可见宇宙的成分中，星系团是最重要的结构。这些巨大的天体甚至包含了数千个独立的星系。它们被引力束缚在一起，沉浸在巨大的热气云中，被大量看不见的暗物质聚集在一起。在钱德拉等X射线卫星的观测下，可以收集到这些高温气体在不同温度下的辐射，它们的实际质量远远超过星系本身。由于其质量和大小，以及丰富的暗物质储量，星系团已经成为研究整个宇宙性质的宝贵实验室。例如，宇宙中最大的星系团之一珀尔修斯星系团是一个巨大的星系团，拥有数千个星系，质量相当于数万亿个太阳。星团的整个内部区域被声波加热，这阻止了气体冷却以高速率制造恒星。同时也说明星系中心存在一个相对较小但巨大的黑洞，因为它的控制范围远远超出了星系内部的气体加热和冷却。
当一颗恒星以剧烈爆炸结束生命时，明亮的超新星就会产生，并超过它们的“家族”星系。在它们的生命周期中，恒星会将氦和氢转化为更复杂的重元素，然后在恒星爆炸时将其分配到太空中。比如我们地球上的一切，包括生命，其实都应该归因于上一代超新星的死亡。超新星中的那些相关物质可以在X射线光中闪耀数千年，在这个过程中，它们将自己的秘密信息传输给灵敏的X射线望远镜。例如，仙后座A(简称Cas A)是科学家在银河系中观测到的最年轻的超新星遗迹，在钱德拉的图像中细蓝弧中显示了爆炸产生的膨胀冲击波的加速度，而绿色和红色区域则显示了被加热到数百万度的受损恒星物质。
也许你不知道，在最近的附近宇宙中，大约有一半的重子处于下落不明的状态，也就是所谓的中子和质子。他们在宇宙早期存在的时候去了哪里？这个问题的答案之一是这样的。
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。
