2009年5月11日

用X射線看星星

作者/周 翊(任教中央大學天文研究所)

X射線天文學自60年代開始發展,至今已有豐富成果。它不但為人類開了一扇窺探宇宙的窗,更提供了一個人類無法創造的實驗室。

第一屆的諾貝爾物理獎頒給了侖琴(Wilhelm Conrad Roentgen),表彰其發現X射線的貢獻。時至今日,X射線的應用已十分廣泛,醫療、工業製造與科學研究上,X射線都是有利工具。但日常所見的X射線,除極少部分由放射性元素產生,大多是人工製造的,是將帶電粒子(通常是電子)加速或減速而產生。本文探討由天體所產生的X射線,因此我們將先討論天體中可能產生X 射線的機制。

來自天上的X 射線

首先談談X射線的基本性質。X射線為全電磁波頻譜的一部分,但波長極短,僅為可見光的千分之一,約1個原子的大小。以量子論觀點來看,相較於可見光,它的粒子性極強,通常以「光子」處理。1個X射線光子的能量大約在數百至數十萬電子伏特。

天體的輻射機制可粗略分為「熱輻射」與「非熱輻射」。熱輻射方面,通常恆星所發出的連續光譜近似黑體輻射,因此我們利用黑體輻射概念來探討天體的熱輻射。將太陽的光譜與黑體輻射比較,發現與絕對溫度6000K的黑體相似,這就是一般所稱的太陽表面溫度,其主要輻射波段落在可見光波段。同理,若某恆星的主要輻射波段落在X射線波段,那我們利用黑體輻射中的「維恩位移定律」,就可以推測這個恆星的表面溫度高達600萬度。

再來,我們考慮史提夫–波茲曼定律。假設這個恆星與太陽差不多大,那麼其輻射強度將是太陽的一兆倍。如此強大的輻射會產生極大的輻射壓,使恆星崩解。因此,一般恆星的輻射不可能以X 射線為主。

另一方面,以非熱輻射而言,通常是帶電粒子經某些特殊物理過程或交互作用,釋放出X射線,諸如制動輻射、同步輻射與逆康普吞效應等。但無論何種機制,帶電粒子都至少要有與X 射線光子相當的能量,也就是數千電子伏特。要維持帶電粒子在這樣的高能狀態,溫度也需在數百萬度以上(kT≒hv),遠大於一般恆星的表面溫度。

事實上,一般恆星的X射線輻射很低,以太陽為例,其X 射線的輻射量僅占總輻射量的百萬分之一。若將太陽放在1千秒差距(約3200光年)外,那麼以60年代前的技術,得將X 射線偵測器的靈敏度提高1000億倍,才能偵測到太陽X射線。因此,雖然人類早在二次大戰後,就能利用探空火箭在大氣層外〔註一〕做觀測,但對太陽系外的X 射線源卻不感興趣。

X射線天文學的發軔

情況到60年代後有了改變。1962年,賈可尼(R. Giacconi)嘗試將蓋格計數器以探空火箭載到大氣層外,試圖偵測月球表面所反射的太陽X射線,卻意外地發現一個強烈的系外X射線源——天蠍座X-1,開啟了X射線天文學(賈可尼也因此獲得2002年的諾貝爾物理獎)。此後十年間,以探空火箭的技術,陸續發現約三十餘個太陽系外X射線源,但這些天體為何發出如此強大的X射線,在當時仍是一個謎。

隨著人造衛星的技術地逐年進步,人類終於發展出了衛星型態的X 射線望遠鏡,以進行較長期的深入觀測。第一個衛星X射線望遠鏡Uhuru升空後,不但在三年內,將太陽系外X射線源的數目增加到三百多個,而且在分析其中的半人馬座X-3資料後,才解開這些X 射線源之謎。從觀測資料發現,它是一個X 射線脈衝星,脈衝週期4.8秒,這證明系統裡有個中子星。此外,這個4.8秒的脈衝週期並不穩定,而以2.09天的週期上下浮動,所以很明顯地此中子星是在一個雙星系統中,其2.09天的雙星軌道運動,造成軌道都卜勒效應。另一個強有力的證據是,系統中的X 射線每2.09天會消失11個小時,又進一步證明這個系統是個食雙星系統。

雙星週期僅2.09天,表示中子星與伴星十分接近,因此,伴星中的物質可能利用伴星的恆星風,或者藉由重力(潮汐力)的牽引,落到中子星的表面,這種物質落到星體上的現象,在天文學上稱之為「吸積(accretion)」,上述的天體則稱作X射線雙星(圖一)。一個X射線雙星絕大部分的輻射能都集中在X射線波段(超過99%),其輻射功率很高,相當於1000~1 萬倍的太陽亮度,其強大的X 射線正是吸積時由重力位能轉化成輻射能而來。

註一:由於大氣層對X射線有很強烈的吸收作用,因此X射線的觀測都必須在大氣層外進行。
【更詳細的內容,請參閱第473期科學月刊】

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