教你如何看透「慧眼」（一）：神秘的X射線

隨著「慧眼」硬X射線調製望遠鏡發射成功，中國終於有了自己的望遠鏡。「硬X射線調製望遠鏡」（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT），僅僅9個字中就出現了2個高冷辭彙：「硬X射線」和「調製」，它們到底是什麼意思呢？這台望遠鏡究竟能否有實力與國際知名X射線望遠鏡同場競技呢？

硬X射線指的是「慧眼」觀測的電磁波範圍。人的肉眼看到的光被稱為可見光；還有作為高級生物的我們，天天離不開的移動信號被稱為無線電波，對了，微波爐里的「微波」也是無線電波，它們也都是電磁波，只不過無線電波不在肉眼的接收範圍內。電磁波來自電場和磁場的交替震蕩，以波的形式向外傳遞，真空里電磁波的傳播速度是光速。電磁波有兩個基本評價指標——波長和頻率，它們成反比關係，乘積就是光速。電磁波的範圍非常非常廣，理論上波長可以從接近於0到+∞，波長越短頻率就越高，而頻率越高則攜帶的能量就越大。物理學家根據電磁波的波長和所攜帶的能量，將它們分成了無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線，波長依次從長到短，頻率依次從低到高。從中我們可以看到，可見光的頻率大於無線電波，所以攜帶的能量更大。如果單純從電磁波能量的角度來說，太陽光的輻射比微波爐厲害，紫道不？

電磁波譜分布（來源：網路）

一提到X射線，人們肯定會想到在醫院裡拍片子，這是一種什麼射線呢？1895年11月8日，德國物理學家威廉·康拉德·倫琴發現了一種能夠穿透玻璃、橡膠、木塊、鋁板及多種物質，而且能讓熒光屏發光的射線，這讓他沉溺於實驗室里好幾天無法自拔，以至於他的妻子不得不跑到實驗室里找他。看到自己的妻子來了，倫琴開心地說：「你來得正好，我給你表演一個魔術！」（嘿嘿嘿~~~~）他把妻子的手放在了熒光板後面，打開開關，熒光板上出現了妻子的手骨的圖像，當然，還有她手上戴的那枚戒指，這就是史上第一張X光片。妻子差點沒嚇die，趕忙問他這是什麼射線，倫琴說：「我也不知道，不如就先叫它X射線吧。」後來，人們為了紀念這位偉大的物理學家，就將「X射線」叫做「倫琴射線」。後來我們知道了可見光也是電磁波的一種，所以就有人用廣義上的「光」來指代電磁波，於是乎，X射線又多了一個名稱——X光。

人類歷史上首張X片——1895年12月22日，出自倫琴之手的「倫琴之妻之手」（來源：Wikipedia）

現在X射線的應用是非常普遍了，醫院裡為病人拍X片，可以更好地了解病情，尤其在骨科診斷上；大件行李過安檢，用X射線檢查是否含有危險物品。但是，X射線頻率高，攜帶的能量比較高，所以為了降低對病人身體的損傷，醫院裡使用X射線照射都只有一瞬間，同時，使用的都是「軟X射線」。X射線的波長範圍在0.01納米至10納米之間，科學家為了更精確地區分X射線，就把「X射線」硬生生地分為「硬X射線」和「軟X射線」。「硬X射線」，一聽這名字就蠻厲害的，所以可以想像得到，波長更短，頻率更高，能量較高，它的穿透能力也更強；相應的，「軟X射線」波長較長，頻率較低，能量較低，穿透能力也較弱。定量地看，一般把波長在0.01納米至0.1納米之間，光子能量在10KeV-100KeV（千電子伏特）之間的劃為硬X射線；把波長在0.1納米以上的就化為軟X射線了。（不過這種分法並不絕對，有人把1nm-10nm成為軟X射線，0.1nm-1nm稱為硬X射線，0.01nm-0.1nm成為超硬X射線。[汗]）

硬X射線在晶體結構分析、乳腺癌篩查、醫療CT、爆炸物檢測等方面有許多應用（來源：Wikipedia）

那麼，自然界中X射線來自什麼地方呢？由於X射線是原子中最靠內層的電子躍遷時發射出來的，這種高能量只有真空中的高速電子撞擊原子核才能產生，總是伴隨著超高的溫度，因此地球上自然狀態下是不存在的。應了那句話——此物只因天上有！這就是為什麼把X射線還有那個頻率更高的γ射線都成為宇宙射線。天上每個恆星都會產生X射線，包括我們的太陽公公，只不過強度比較弱罷了。宇宙中廣泛存在著許多劇烈而壯觀的「大」事件，如兩個恆星的併合、體型嬌小但旋轉飛快的中子星、正在狼吞虎咽的黑洞、蔚為壯觀的超新星爆炸等等，都會發出大量的硬X射線喲！

太陽的X射線影像（來源：NASA/SDO/GODDARD SPACE CENTER）

有那麼多強輻射的X射線，我們該如何是好？不用擔心，好在地球的大氣為我們阻擋了幾乎所有的高能射線，充分保障了地球生命的安全。BUT……凡是都有兩面性，也正是因為稠密的大氣層，也給天文學家製造了不小的麻煩——在地面上很難探測到宇宙中的X射線，這樣就缺少一個了解宇宙的獨特視角。我們必須將犀利的目光延伸到大氣以外，於是，我們的空間望遠鏡就登場啦~

大氣窗口示意圖，X射線和γ射線無法穿透大氣層達到地面。（來源：North Carolina State University）

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