追踪神秘的宇宙X射线

20世纪60年代开始对神秘的宇宙X射线来源的追踪,绝对是现代天文学历史上激动人心的一部“大片”。虽然没有生离死别的情节,却最终牵扯出迄今为止宇宙里面发现的最神秘骇人的天体-类星体。

二次世界大战后,德国的一批V-2火箭被美国缴获,天文学家们于是利用它们来运载天文探测仪器,以便尽量减少大气层对于天文观测的影响,试图发现新的天文现象。果然,在一次搭载X射线探测器时,发现太阳炙热而稀薄的最外层,也就是所谓日冕,能够明显地发射X射线。而由于X射线能够几乎完全地被大气层吸收,因此在地面无论如何也是无法观测到来自太空的X射线的。

1962年,通过大量的观测,发现在天空的各个方向上,都能够均匀地探测到X射线,几乎可以说每个天区所接收到的X射线的亮度都跟周围天空的一样,在一个满月大小的天空范围内,邻近天区的亮度差异只有约1%。非常凑巧的是,在随后的1965年,一个偶然的机会使人们发现了来自太空的微波辐射,同样是在天空各个方向上均匀分布的,其均匀程度甚至超过了X射线,各个方向上的差异不超过3000分之1!这就是所谓的宇宙微波背景辐射,真正令人称奇的是,宇宙微波背景辐射居然在40年代已经被物理学家伽莫夫所预言,因为宇宙微波背景的存在是宇宙大爆炸理论的一个直接推论。

既然微波背景辐射具有如此深刻的含义,人们不得不遐想着,宇宙同样表现出来的X射线均匀背景,是不是也暗示着某个宇宙秘密呢?

由于很早就知道太阳能够发射X射线,似乎可以把X射线背景解释为所有恒星都以类似太阳的方式发射的X射线的总和,但是简单的计算表明,如果考虑到太阳是银河系的一颗中等偏小的普通恒星,把银河系所有的约1000亿颗恒星加起来,也远远比我们观测到的X射线亮度要弱得多,以离地球最近的一颗恒星为例,它可能发射到地球的X射线的强度,由于距离遥远的关系,将比太阳所发射到地球的射线弱400亿倍。因此至少可以排除象太阳那样的正常恒星对于宇宙X射线背景的贡献。

1962Giacconi把一台更加灵敏的X射线探测仪发射到了高空,第一次令人吃惊地在天蝎座方向发现了一个分立的X射线源,尽管其发射的X射线到达地球后,强度仍然比太阳要弱100万倍,但即使假设它处于距离地球最近的恒星位置上,其总的X射线发射强度还是要比一颗正常的恒星至少强4万倍,更何况实际上它是处在极其遥远的宇宙深空。现在一般认为这种X射线发射源是一个双星系统,该双星系统由一颗普通恒星和一颗致密星组成,该致密星可能是白矮星,也可能是中子星,甚至是一个黑洞。

 

 

(图1Riccardo Giacconi,因发现宇宙X射线源而荣获2002年诺贝尔物理学奖。

 

后来人们陆续地在银河系还发现了几百个这类分立的X射线源,但显然这些点状源是无法构成X射线背景的主要来源的。而从逻辑上分析,构成均匀X射线背景的辐射源只有两种可能情形,即或者是距离太阳非常近,或者是距离非常远,而决不会是处于这两者之间的位置上。

 

(图2)位于大麦哲伦星云的X射线辐射源N132D,不同的颜色表示不同的X射线波长。

 

因为如果距离非常近的话,可以很自然地理解被近处发射的X射线包围之下,从地球往外看就是大体均匀的。而实际上在太阳附近显然是不存在这样的X射线源的。

如果距离近似于银河系里面两个恒星之间的间距,或者是近似于两个星系之间的间距,那么在某个方向上,必然会有X射线辐射源比其他方向要离地球相对明显地近一些,这样就无法产生对于地球而言的均匀辐射背景。

剩下来唯一的可能性,就是X射线辐射源一定是处于距离地球遥远的宇宙深空,鉴于光速的有限性,这些X射线的源头越远,越说明它们携带着宇宙早期状况的信息,正是这点长久地令人着迷。

如果从X射线的产生机制角度来考虑,一种称为韧致辐射的物理过程被认为是宇宙X射线最可能的产生机制。这种辐射过程是在1000万度到5亿度之间的等离子体里面,当自由电子从自由质子旁边穿行时,能量受到损失,而转换为波长为1-10埃的X射线。而从理论和观测两方面都确实发现在星系之间的空间存在这样的高温等离子体,于是似乎可以认为X射线正是来源于这类弥漫在星系之间的高温等离子体气团,不过这只是间接的推测,一方面我们还很难确定这种等离子体气团的数量,另一方面也还没有直接的证据表明X射线背景辐射就是由这样的等离子体产生的。相反,实际的测算表明,这种来源的X射线辐射最多只能贡献整个背景辐射的百分之几。

一直到80年代初,一台名为爱因斯坦天文台的人造卫星发现几乎所有类星体都能够发射强烈的X射线,于是人们一下子找到了X射线的真正始作俑者,应该就是类星体。

类星体是在60年代发现的,这是一种非常奇特的发射强大的射电信号的天体,一开始发现它各个方面的特征和恒星,星云,星团,星系都有相似的地方,困惑的人们只有称它为“类星体”,现在一般认为,在距离地球极为遥远的那些星系里面,有一小部分星系的核心区,估计是一个太阳系那么大小的范围里,存在着剧烈的物理过程,也许就是一个超级黑洞,在其他物质被黑洞吞噬的过程当中发出强烈辐射,大约等于整个银河系的所有恒星发出的光能总和的100倍到1000倍,这使得类星体成为目前为止我们所知的光度最高的天体。同时类星体可以说是位于宇宙的最深处者,因此我们现在接收到的来自类星体的辐射,实际上就是来自宇宙早期的信息,这里面就包含了X射线,而通过计算现在已经发现的类星体,并进行一定的类推,发现类星体就几乎可以完全提供X射线的背景辐射。

 

(图3)距离地球约100亿光年的类星体(来自NASA STScI-PR94-16

 

 

(图4)中间的类星体处于宇宙目前年龄的6%的时刻,是一个强大的X射线源。由欧洲发射的XMM牛顿太空天文台于2000121日发现。

 

于是追踪X射线背景辐射源头的历史临近了最为辉煌的终篇,尽管大量的细节还有待阐明,类星体发射强大X射线对于宇宙早期历史的意义,也还和类星体一起隐身于100多亿光年的后面,但是一代接一代的天文学家不断把越来越精密灵敏的观测仪器射向太空,我们应该非常乐观地等待着这个谜底的揭晓。

 

(图5)美国于19951230日发射升空的Rossi X射线计时探测器

 

 

(图6)美国于19997月发射升空的Chandra X射线天文台