试听180秒XVIII：多波段的天文｜紫外、X与伽马

引言：上次说了比可见光波长更长的射电波段与红外线，而那些比可见光波长更短能量更高的电磁波，都是怎么来的？天文学家又能拿它们来做什么呢？

知识点 I ：紫外波段

        紫外线通常是指比可见光波长稍短些，波长在10nm~400nm之间的电磁波，对应能量是3eV~124eV，缩写成UV。根据国际标准ISO-21348在定义太阳射线时候把紫外线分为UVA（315nm-400nm）、UVB（波长280-315nm）、UVC（波长100-280nm），后来有人把剩下的紫外部分称为UVD。还有一种细分是按波长由长到短分为近紫外、中紫外、远紫外、氢拉曼-阿尔法线、极紫外。如UVA，属于长波紫外线，在紫外线中波长是最长的，可穿透云层、玻璃，进入室内，甚至可以穿透皮肤。UVB和UVC几乎完全被臭氧层所吸收，我们必须要通过高空气球或空间望远镜才能接收到来自遥远天体的紫外线。

紫外波段可以进行的研究：

太阳——虽然辐射峰值出现在可见光波段，但是太阳在其他波段也有辐射。UVA、UVB、UVC都是太阳紫外辐射的主要部分，紫外波段为我们提供了太阳色球与日冕间过渡层，以及耀斑活动的丰富信息。

恒星——O、B、A型星等早型星、白矮星和行星状星云的中心星在紫外区有最强的辐射；对于F、G、K和M等晚型星包括，可用于研究恒星色球和星冕，尤其是二者之间的过渡层。许多原子和分子的共振线处在紫外区，在10nm-360nm这部分有着极强的各种元素的吸收线和发射线。

星系——由于大多星系非常遥远，它们的辐射存在较大红移，紫外谱线会往可见光的位置偏移，从而避开星际氢对Lα线的严重吸收，我们可以看得更加清楚。紫外波段有利于发现星系中存在的较热的一些恒星，对研究星系的年龄、物质分布有着重要意义。

太阳系内天体——行星、彗星等天体的紫外光谱、反照率和散射的观测，有助于确定它们大气组成，从而建立大气模型。所以紫外望远镜已经是行星探测器上的标配。

太阳的极紫外图像

知识点 II ：X射线波段

        X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质。X射线的波长范围在0.01纳米至10纳米之间，科学家为了更精确地区分X射线，就把“X射线”硬生生地分为“硬X射线”（0.01nm-0.1nm）和“软X射线”（0.1nm-10nm）。或分为软X射线（1nm-10nm）、硬X射线（0.1nm-1nm）、超硬X射线（0.01nm-0.1nm）。X射线的波长刚好与原子的尺度相当，因此X射线，尤其是硬X射线在晶体结构分析、乳腺癌筛查、医疗CT、爆炸物检测等方面有许多应用。

        X射线是原子中最靠内层的电子跃迁时发射出来的，这种高能量只有真空中的高速电子撞击原子核才能产生，总是伴随着超高的温度，因此地球上自然状态下是不存在的。每个恒星都会产生X射线，包括太阳。而宇宙中两个恒星的并合、旋转飞快的中子星、正在狼吞虎咽的黑洞、蔚为壮观的超新星爆炸等许多剧烈而壮观的“大”事件都会发出大量的硬X射线。

X波段人马座A超大质量黑洞喷流

        如：黑洞的吸积盘中巨大的摩擦导致物质被加热到超过100万度的极高温度；垂直于赤道面的极区会形成强大的喷流，以超高的速度和超高的温度向数百光年外喷射，这些结构都会显示出明亮的X射线。1965年发现的天鹅座X-1被认为是人类发现的第一个黑洞候选体（下图）。

各波段电磁波所能到达的大气层高度

知识点 III ：γ射线波段

        伽马射线是能量大于100keV（十万电子伏特）的最高能的光子，波长小于0.01nm。单个伽马射线光子的能量，至少就是普通太阳光子的几十万倍。伽马射线很宽，最高能量可以达到100TeV（一万亿电子伏特），包括了7个数量级的能量。γ射线产生于原子核衰变和核反应。1967年美国军方用于探测“核闪光”的“维拉斯”人造卫星，第一次记录到来自银河系之外伽马射线，说明伽马射线真的非常强大。

        能够产生如此高能量伽马射线的，要么是天上最暴力的天体，要么就是地球上同样最暴力的加速器。现在认为宇宙中的伽马射线主要来自恒星核心的核聚变反应。而一旦恒星形态发生剧烈变化，比如大质量恒星发生超新星爆炸，在诞生一个新的黑洞的同时，可能产生大量的伽马射线，被称为伽马射线暴。一次伽马暴在短短几分钟内所释放的能量，可能就超过了太阳整个一生所发出能量的10～1000倍。然而现在还没在银河系里观测到过伽马暴。此外，黑洞、中子星、类星体等一些致密天体也都伴随着强大的γ射线。

天空中的伽马源

        伽马射线无法穿透大气层，但是大量伽马射线却有可能跟空气分子簇射——指能量很高的初级宇宙线进入地球大气后，同空气中的原子核连续发生强作用和电磁作用，产生大量次级粒子的现象。也就是说伽马射线不会直接照射到地面，但大气中的氮气会变成氮氧化合物，进而破坏臭氧层，地面生物会被太阳辐射伤害。有一些研究者认为4.4亿年前的第一次生物大灭绝可能就是银河系内伽马暴所致，但至今没有找到强有力的证据。