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就本質(zhì)而言，光就是一種處于特定頻段的光子流，光源之所以能夠發(fā)出光，是因?yàn)槠涔庠粗械碾娮荧@得了額外能量，而電子的加速運(yùn)動(dòng)則是以波的形式釋放能量。X射線(xiàn)其實(shí)也是是光的一種形式，雖然X射線(xiàn)波長(zhǎng)會(huì)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)更短，但它的光子能量卻比可見(jiàn)光的光子能量大幾萬(wàn)、甚至是幾十萬(wàn)倍。并且，X射線(xiàn)擁有一個(gè)最強(qiáng)大的本領(lǐng)，那就是能夠穿透很多物質(zhì)，哪怕是充滿(mǎn)神秘與諸多未知的宇宙空間也不例外。
為何X射線(xiàn)是光的一種形式
1895年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·倫琴發(fā)現(xiàn)了一種新形式的輻射，這種神秘的輻射能夠穿過(guò)許多吸收可見(jiàn)光的材料，還具有從原子中釋放電子的能力，他將其稱(chēng)之為X射線(xiàn)（又稱(chēng)倫琴射線(xiàn)），以表示其未知性質(zhì)。最終發(fā)現(xiàn)，就本質(zhì)而言，X射線(xiàn)其實(shí)就是另一種形式的光。當(dāng)帶電粒子發(fā)生碰撞、或者它們的運(yùn)動(dòng)發(fā)生突然變化時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一束被稱(chēng)為光子的能量，并以光速的速度從事件現(xiàn)場(chǎng)飛出。
而光是所有物質(zhì)不斷搖晃、振動(dòng)、喧囂的副產(chǎn)品，實(shí)際上，它們是光或電磁輻射所使用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。由于電子是已知最輕的帶電粒子，因此，它們是宇宙中產(chǎn)生的大多數(shù)光子的原因。如果你能看到原子水平，你會(huì)發(fā)現(xiàn)原子和分子每秒都會(huì)振動(dòng)數(shù)百萬(wàn)億次，并相互撞擊彼此，而電子則是以每小時(shí)約一百萬(wàn)英里的速度活動(dòng)，而X射線(xiàn)便可以通過(guò)電子和質(zhì)子之間的高速碰撞產(chǎn)生。
光子的能量可體現(xiàn)光的形式
眾所周知，光的表現(xiàn)可以采取多種形式。比如，無(wú)線(xiàn)電波、微波、紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)，以及伽馬輻射，都是不同形式的光?？茖W(xué)家們可以通過(guò)光子的能量，來(lái)分析它是什么形式的光：無(wú)線(xiàn)電波由低能光子組成，光學(xué)光子是人眼能夠感知的唯一光子，它比典型的無(wú)線(xiàn)電光子高出一百萬(wàn)倍左右。而X射線(xiàn)光子的能量，又比光學(xué)光子的能量高幾百到幾千倍。光子的能量會(huì)因?yàn)榱Ｗ优鲎?、或振?dòng)時(shí)的速度而受到限制，溫度也對(duì)對(duì)速度造成影響。比如，在炎熱的一天，空氣中的粒子比天氣寒冷時(shí)活動(dòng)更快，簡(jiǎn)而言之，物體產(chǎn)生的輻射波長(zhǎng)，通常都與其溫度有關(guān)。
當(dāng)環(huán)境里的溫度非常低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生低能量無(wú)線(xiàn)電和微波光子；像我們?nèi)祟?lèi)這樣約37攝氏度的冷體，則會(huì)產(chǎn)生紅外輻射；而非常高的溫度（數(shù)百萬(wàn)攝氏度），便會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)。光子本身也可以與電子碰撞，如果電子比光子具有更多能量，碰撞便可以增強(qiáng)光子的能量。光子也可以通過(guò)這種方式，從低能光子變?yōu)楦吣芄庾?。而這個(gè)稱(chēng)為康普頓散射的過(guò)程，被科學(xué)家們認(rèn)為是重要的黑洞周?chē)?，密集的物質(zhì)被加熱到數(shù)百萬(wàn)度。通過(guò)X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡在太空中收集的光子，以揭示宇宙中的熱點(diǎn)，即粒子通過(guò)巨大的爆炸，強(qiáng)烈的引力場(chǎng)被激發(fā)或升高到高溫的區(qū)域。這些條件就存在于各種各樣的地方，從星系之間的廣闊空間，到中子星和黑洞奇異的坍塌世界。
光子能量分布決定光譜的走向
當(dāng)自由電子被質(zhì)子或帶電原子（離子）的電場(chǎng)加速時(shí)，發(fā)射的光子可以具有較寬范圍的能量，這完全取決于電子移動(dòng)的速度和加速的程度。而由此過(guò)程引起的光子能量分布，則被研究人員稱(chēng)為連續(xù)光譜，它可以繪制為平滑曲線(xiàn)。相反，如果電子圍繞中性或帶電原子（也稱(chēng)為離子）的原子核軌道運(yùn)行，那么，該光譜則是一系列尖銳的峰或線(xiàn)。
這是因?yàn)樵又械碾娮榆壍溃艿搅孔永碚撘?guī)則的嚴(yán)格控制。而這些軌道，或更準(zhǔn)確地說(shuō)是能量狀態(tài)，當(dāng)其被特定量的能量分開(kāi)，每種元素的原子，如氧，碳等，都有各自獨(dú)特的能量狀態(tài)。就像樓梯被特定高度分開(kāi)一樣、就像你無(wú)法移動(dòng)階梯之間的位置一樣，原子中的電子也一樣不能移動(dòng)到能量狀態(tài)之間的位置。通常情況下，原子中的電子都處于最低能量狀態(tài)，就好比是位于樓梯的底部位置。
原子的能量狀態(tài)和恒星的構(gòu)成
但是，如果原子被自由電子、另一個(gè)原子或光子碰撞所激發(fā)，那么最低能級(jí)將是沒(méi)有電子停留的。其中一個(gè)軌道電子將迅速跳到這個(gè)水平，以特定能量的光子的形式釋放能量。而這些光子，便會(huì)在光譜中產(chǎn)生發(fā)射線(xiàn)。由于存在于氣體中的各種元素，由許多原子組成的熱氣體，將發(fā)出由許多發(fā)射線(xiàn)組成的光譜，哪怕是相反的過(guò)程也可能會(huì)發(fā)生。
當(dāng)“光子流”遇到氣體，那些能量對(duì)應(yīng)于原子中能量水平的那些光子，將被原子吸收。而這個(gè)過(guò)程會(huì)在氣體中產(chǎn)生一系列吸收線(xiàn)。仔細(xì)研究由特定元素的原子發(fā)射或吸收的光子的能量，便可以為該原子的能量狀態(tài)提供藍(lán)圖。當(dāng)科學(xué)家們了解這個(gè)藍(lán)圖或能譜之后，研究人員就可以在恒星和氣體的輻射中尋找它，并確定每種元素的含量。通過(guò)這種方式，天文學(xué)家已經(jīng)確定恒星主要由氫構(gòu)成，并混合了氦和痕量的重元素，如碳，氮，氧等物質(zhì)。
X射線(xiàn)熒光和電荷交換的區(qū)別
當(dāng)高能粒子或X射線(xiàn)撞擊不受原子最內(nèi)能級(jí)的電子時(shí)，便會(huì)發(fā)生原子的X射線(xiàn)熒光，從而在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定的原子。來(lái)自外能級(jí)的電子，會(huì)立即跳躍到較低能量狀態(tài)，并發(fā)射具有原子特有的獨(dú)特能量的X射線(xiàn)。比如，在黑洞的周?chē)?dāng)靠近黑洞的熱氣體所產(chǎn)生的高能X射線(xiàn)，與附近較冷的氣體和塵埃中的鐵原子發(fā)生碰撞之時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。
產(chǎn)生發(fā)射線(xiàn)還有另一種方法，那就是電荷交換。帶電離子，例如，碳/氧離子與中性原子、或分子碰撞，并捕獲其中一個(gè)電子。當(dāng)捕獲的電子下降到較低能量狀態(tài)時(shí)，便會(huì)發(fā)射光子，電子會(huì)在中性原子和離子之間交換，這個(gè)過(guò)程就被科學(xué)家們稱(chēng)為“電荷交換”。在這種碰撞發(fā)生之后，隨著捕獲的電子移動(dòng)到更緊湊的軌道，便會(huì)發(fā)射X射線(xiàn)，對(duì)于某些天體而言，這是非常重要的一個(gè)過(guò)程。比如，對(duì)于彗星而言，電荷交換就尤其重要，因?yàn)樘?yáng)風(fēng)中的離子，會(huì)與彗星大氣中的中性原子發(fā)生碰撞。
宇宙源的同步輻射具有獨(dú)特光譜
以上兩種并不是全部情況，因?yàn)閄射線(xiàn)光子也可以在不同條件下產(chǎn)生。當(dāng)物理學(xué)家操作第一個(gè)粒子加速器時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)電子可以產(chǎn)生光子，而且不會(huì)發(fā)生碰撞。這種情況的發(fā)生是可能的，因?yàn)榧铀倨髦械拇艌?chǎng)會(huì)導(dǎo)致電子圍繞磁場(chǎng)力線(xiàn)，以大螺旋的形式運(yùn)動(dòng)，而該過(guò)程就被科學(xué)家們稱(chēng)為同步輻射。在宇宙中，諸如電子的粒子可以通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，加速到接近光速的高能量。
來(lái)自宇宙源的同步輻射具有獨(dú)特的光譜，或具有能量的光子分布。這些高能粒子可以產(chǎn)生同步加速器光子，其波長(zhǎng)范圍會(huì)從無(wú)線(xiàn)電通過(guò)X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)能量。同步輻射與來(lái)自熱氣體的輻射光譜相比，輻射能量會(huì)下降得相對(duì)更快。尤其是當(dāng)在超新星遺跡、宇宙噴射或其他來(lái)源中觀(guān)察到同步輻射時(shí)，它揭示了存在的高能電子和磁場(chǎng)的有關(guān)信息。而所謂的射線(xiàn)宇宙指的就是，通過(guò)探測(cè)X射線(xiàn)的望遠(yuǎn)鏡所觀(guān)察到的宇宙，因?yàn)?，?dāng)物質(zhì)被加熱到數(shù)百萬(wàn)度時(shí)，宇宙中就會(huì)產(chǎn)生X射線(xiàn)。
“X并且，這種溫度往往發(fā)生在高磁場(chǎng)、極端重力，或爆炸力保持搖擺的地方。來(lái)自Hydra A星系團(tuán)的Chandra的X射線(xiàn)圖像，是最大的宇宙X射線(xiàn)源之一，這個(gè)集群非常龐大，需要花費(fèi)數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)穿越它。當(dāng)宇宙是目前大小的一半時(shí)，科學(xué)家們認(rèn)為氣體云曾被引力坍縮加熱。在一簇星系中，這群巨大的熱氣體是幾百萬(wàn)光年，包含了足夠的物質(zhì)，可以制造數(shù)百萬(wàn)億顆恒星。與此同時(shí)，X射線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡還可以用來(lái)追蹤來(lái)自爆炸恒星的熱氣體，或探測(cè)距離恒星黑洞事件視界90公里處的物質(zhì)的X射線(xiàn)，以幫助科學(xué)家解答有關(guān)宇宙起源、進(jìn)化和命運(yùn)的基本問(wèn)題。
