隨著人類對宇宙探索的不斷深入，我們開始對各類天體的演化過程更加了解，也對宇宙的構成有了清晰的輪廓。儘管這個看似熟悉的宇宙仍然充滿著諸多未知，但至少我們知曉了宇宙的大部分物質都是黑暗的，且無法通過目前的任何技術實現對它的直接觀測。那些構成行星或恆星的質子、中子和電子，都僅僅是宇宙質量和能量中極小的一部分，科學家們現在能做的就是通過X射線，去揭示其餘關於宇宙黑暗部分的秘密。X射線天體物理學，不僅可以幫助我們瞭解自己身處的這個宇宙空間，更是物理學探索中至關重要的一個部分。那麼，科學家們是如何通過X射線來觀測宇宙的不同部分，以及我們太陽系中的各大天體？

X射線如何探測宇宙的黑暗部分

眾所周知，暗能量和暗物質是宇宙中最大的兩個部分，也是黑暗宇宙的主要構成。在宇宙的所有物質構成中，雖然人類目前對它們的瞭解相對較少，但可以確定宇宙的最終命運走向，便主要由這兩種物質共同決定。在一般情況下，暗物質會將宇宙的黑暗部分聚集在一起，而暗能量則往往會將它驅散，若要充分的瞭解這樣的宇宙事件，我們需要用到一切可能有利於觀測的科學工具。在20世紀末的時候，我們對宇宙的看法受到了很大的震動，因為大爆炸之後的宇宙加速膨脹，其擴張的速度並沒有隨著時間而減緩。

宇宙的這種加速現象是一種神秘的暗能量形式，還是缺乏對於引力的理解？X射線天文學正在通過強大的技術研究星系團，以解決這個困擾已久的難題，並且，這些技術目前正在採用，在之後的時間裡也會提出更多其他更好的方法。而宇宙的另一個重要未知物質，它的名字叫做暗物質。我們可以通過觀察宇宙中目前已知物質的引力效應，從而推斷出宇宙剩下的85%都是由不會發光的物質所構成，並且，它們擁有與恆星和行星完全不同的物質組成。科學家們可以通過X射線來研究暗物質在各種環境中帶來的影響，以實現對遍佈於宇宙中的這種神秘物質的性質有所收穫。

利用X射線挖掘可觀察的宇宙

若將宇宙的整個組成形容為一個餡兒餅，那麼我們能用眼睛和望遠鏡所看到的一切，僅佔據這個餡餅的5%左右，這個數據包括了星際氣體與塵埃、恆星和行星等所有可見部分。在發現暗物質之前，我們曾以為這5%便是整個宇宙的所有構成。現在，科學家們開始通過計算機、望遠鏡等先進的工具進行可觀測宇宙中的探索，包括哪些令人興奮的物體、現象和事件的信息，我們可以通過這些微小但重要的內容，窺探到更大的黑暗宇宙。在已經過去的十多年時間裡，天文科學家們驗證了X射線是宇宙探索工具箱的基本組成

部分，即一個宇宙中的許多波長

在可見宇宙的組成部分中，星系團算得上是最重要的結構，這些巨大的物體所包含的單獨星系甚至可以達到數千個。它們通過重力結合在一起，沉浸在巨大的熱氣雲中，並被大量不可見的暗物質所聚集。在錢德拉等X射線衛星的觀測下，可以收集到這些熱氣體在不同溫度下的輻射情況，其實際質量遠超過該星系本身。因為星系團本身的質量和大小，以及豐富的暗物質儲量，讓其成為了研究整個宇宙性質的寶貴實驗室。比如，宇宙中最龐大的星團之一珀爾修斯集群，便是包含了數千個星系、質量相當於數萬億個太陽的一個巨大星系團。整個集群的內部區域因為聲波而被加熱氣體，阻礙了氣體冷卻以高速率的製造恆星，同時也說明了在該系星的中心，存在一個相對微小但巨大的黑洞，因為它的控制範圍遠超出了星系範圍內的氣體加熱和冷卻。

當一顆恆星以劇烈爆炸的方式來結束自己的生命之時，明亮的超新星也因此而產生，並且超越了它們的“家庭”星系。在它們的生命演化週期中，恆星會將氦氣和氫氣轉化為更復雜的重元素，然後在恆星爆炸的時候分佈到太空中。比如，我們地球上包括生命在內的所有東西，其實都應該歸功於上一代超新星的恆星滅亡。那些超新星中的參與物質，在X射線光中的發光時間甚至可以達到數千年，並在這個過程中向敏感的X射線望遠鏡傳遞它們的秘密信息。比如，科學家們觀測到的銀河系中最年輕的超新星遺蹟Cassiopeia A（簡稱Cas A），在錢德拉的圖像中，藍色的纖細弧線呈現了爆炸所產生的膨脹衝擊波發生了加速，而其中綠色和紅色的區域，則顯示了那些被破壞、且已被加熱至數百萬度的恆星物質。

或許你有所不知，在最近的附近宇宙中，大約有一半的重子物質都處於下落不明的狀態，也就是所謂的中子和質子，存在於早期宇宙中的它們去了哪裡呢？關於這個問題的答案，其中有一個這樣相對最合理的推論，即：那些缺失的中子，成為了一個極端分散的“網狀氣體雲系統”的構成部分，參與了星系和星系團的形成。而檢測這些缺失的重子有一個最好的方法，那就是它們微弱卻而已被觀察到的X射線特徵。比如，被探測到的Mkn 421X射線吸收現象，若該星系際X射線吸收雲的大小和分佈都具有代表性，那麼，該光譜就可以證明宇宙中的大部分原子和粒子都位於我們難以看到的宇宙網中。

來自太陽系物體的X射線輻射

儘管太陽系中的彗星、衛星和行星的溫度，遠低於產生宇宙X射線應該具備的溫度條件，但科學家們已經發現這些較冷天體產生X射線的不同方式，這些來自太陽系物體的X射線輻射，為科學家們提供了其他望遠鏡難以獲取的許多重要信息。在地球延伸的外層大氣中，地冕中的氫原子與碳、氧和氖離子之間發生碰撞，然後便有了地球的地冕X射線證據。科學家們將這個過程稱為電荷交換。當大氣中電子的中性原子和太陽風中的粒子之間發生交換，移動到更緊湊軌道的電子會發射出X射線，而這些X射線的能量，便等於電子軌道能量狀態的差異。

科學家們可以利用電荷交換過程中碰撞能量的X射線光譜，與具有敏感X射線光譜儀的其他過程區分開來。在整個太陽能系統中，都運行著這樣的電荷交換過程，且對於彗星而言尤為重要。我們都知道，在彗星的周圍佈滿了塵埃和氣體雲，研究人員對彗星大氣中電荷交換所引起的X射線進行研究，可以提供彗星旋轉和彗星大氣結構的信息，以及太陽風中存在元素的重要提示。而在不遠的將來，科學家們需要進一步探測太陽系中、恆星周圍數百顆彗星集合中的X射線，那些相對年輕的恆星具有更強勁的恆星風，因而成為了最好的探索目標選擇。

從位置上來說，金星和地球處於相對的方向，因而來自金星和某種程度上的地球X射線，都是因為太陽X射線照射到大氣中的熒光，金星的錢德拉圖像呈現出了半月牙的外觀。在行星表面上方大約120公里的地方，被吸收的太陽X射線將電子從原子內部推出，從而將原子激發到了更高能級，恢復低能狀態的原子發出了熒光X射線。而來自火星大氣中氧原子的熒光X射線，與金星上的具有很高相似性，即使是巨大的沙塵暴也不會對X射線的強度帶來任何變化。而那些位於火星表面7000公里左右的地方，也探測到了微弱的X射線光環，它們的存在可能與火星脆弱的極端高層大氣和太陽風電荷的交換過程有關。

木星因自身存在的強大磁場，總能以不同的方式產生X射線的環境，比如，當那些來自太陽的高能粒子被捕獲，便會在其磁場中加速，直到達到極性區域產生X射線。它們會和木星大氣中的原子發生碰撞，在木星的北極和南極附近都具有強烈的X射線濃度，而弱赤道X射線發射，則可能是受到了太陽X射線的反彈。同時，由於月球表面也受到了來自太陽的X射線影響，導致來自月球的X射線是因為“熒光”而產生。當月球表面上的原子吸收了太陽X射線，電子會從原子內部撞出、並激發更高的能級。隨著熒光X射線的發射，原子幾乎立刻就恢復到了較低能量時的狀態，並以類似的方式，紫外光產生了熒光燈一般的可見光。由於熒光X射線原子的獨特性，科學家們可以利用這種X射線來探測其中存在哪些元素。