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宇宙的“骨架”:全天X射线星图揭示暗物质奥秘

作者:大众排行网 发布时间:2020-09-10 14:34

俄罗斯和德国合作的“光谱-伦琴-伽玛”太空望远镜任务搭载的eRosita仪器近日完成了对100多万个高能X射线源的分类,该数量超过了这项研究之前的记录。

宇宙的“骨架”:全天X射线星图揭示暗物质奥秘


这张X射线地图不仅仅是一张漂亮的桌面背景

从公布的图片可以看到,我们的天空被X射线照亮,其电磁光谱范围内的能量远高于可见光。红色代表低能量区域(0.3~0.6 keV),绿色代表能量中档(0.6~1 keV),蓝色则代表高能量(1~2.3 keV)。沿着椭圆图像的中线,我们看到了银河系,它作为唯一的高能量源出现;这是由于银河系中大量的尘埃和颗粒散布在夜空中,可以被我们看到。明亮的黄色和绿色斑块表示高能事件,如超新星和超大质量黑洞爆发。整幅图像中出现的白点便是接近一百万的X射线源。

你可能十分熟悉哈勃太空望远镜拍摄的那些令人惊叹的可见光图像,但在其余的光谱中,包含着关于银河系和宇宙的宝贵信息。射电天文学诞生于1932年,当时卡尔·央斯基(Karl Jansky)正在研究是什么干扰了跨大西洋的无线电信号。他在贝尔实验室架设天线,接收来自各个方向的无线电波信号,并最终确定

在电磁波谱中不同波长下的蟹状星云超新星,每一个图像都显示出不同的特征

最强的背景噪声来源于银河系中心。

射电天文学通过电磁波频谱以无线电频率研究天体,其技术与光学相似,但由于射电望远镜观测的波长较长,所以更为巨大。无线电波能够穿透地球的大气层,使我们能够从地球表面观测它们,比如利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列。然而,X射线不能穿透地球的大气层,因此必须从太空或非常高的高度进行观测。直到20世纪60年代,才出现第一个对太阳系外X射线源进行观测的太空计划。

像eROSITA这样的仪器可以观察到我们周围宇宙中最剧烈的事件。X射线是一种短波长的高能电磁辐射,当气体被加热到数百万度时就会释放出来。当气体被压缩或加速时,也会发射出X射线。当恒星死亡时,巨大的超新星爆发在冲击波中压缩气体,X射线从耀斑中释放出来。在X射线光谱中,我们还可以发现死亡恒星的残余,或者中子星(中子星密度非常大,一小块中子星物质就比地球上所有的人都重)或者黑洞。黑洞实际上并不发射X射线,它们实际上是黑色的,因为所有的电磁辐射都被吸进去了;但是,当黑洞旋转并产生磁场时,聚集在奇点中的物质的确会在X射线光谱中发出信号。有一类发出明亮X射线辐射的双星系统被称为“X射线双星”,其中有一颗为致密星,通常为中子星或黑洞。该双星系统由具有较大引力的“加速器”和“供体”组成,后者提供的气体在向中子星或黑洞加速时被过热。

一个X射线双星系统,一个黑洞将物质吸入的过程中发射出X射线波

太阳也会释放X射线,尽管较为微弱。科学家用X射线来研究太阳物理学中一个有趣的难题。日冕是太阳的外层,比太阳的其他部分要热得多,其温度为100万至300万 K,而太阳的平均温度约为5570 K。太阳耀斑的X射线辐射可以用于研究磁场及其对日冕加热的影响。

最后,这张新的X射线源地图可能是理解暗物质的关键。2012年,Jee等首次在钱德拉X射线天文台观测到正在碰撞的星系,它们在X射线发射和质量分布上显示出明显的分离。有理论认为,这是由于暗物质造成的引力透镜所引起的,导致光线的弯曲和剪切。这是暗物质存在的有力证据。eROSITA的巡天观测将提供大量的X射线源数据,并可能为暗物质研究提供线索。

什么是X射线天文学?

碰撞的星系显示出X射线(粉色)和引力(蓝色)的解离,这可能表明暗物质的存在

X射线天文学是以天体的X射线辐射为主要研究手段的天文学分支,通常以电子伏特(eV)表示光子的能量,观测对象为0.1keV到100keV的X射线。其中,0.1~10keV的X射线称为软射线,10~100keV的称为硬射线。由于X射线属于高能的电磁波谱,因此X射线天文学与伽马射线天文学同称为高能天体物理学。

宇宙中辐射X射线的天体包括X射线双星、脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、活动星系核、太阳活动区,以及星系团的高温气体等。由于X射线无法穿透地球的大气层,因此只能在高空或者大气层以外观测X射线源。空间天文卫星也因此成为X射线天文学的主要工具。

20世纪40年代以来,X射线天文学已经从简单的X射线源观测转向X射线光谱学的精细研究。高分辨率的X射线光谱首先由爱因斯坦卫星上的光谱仪获得,如今,钱德拉X射线望远镜和XMM-牛顿卫星使得天文学家能够识别出特征谱线。而空间X射线卫星已经获得了不亚于地面大型光学望远镜的空间分辨能力,同时,数据处理水平也在快速提高,这些都令X射线天文学成为天文学中观测资料最丰富、研究最活跃的领域之一。


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