X射线天体物理

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1、X射线天体物理X射线的光子通常用能量单位KeV来表示。将0.1KeV-10KeV称为软X射线(soft),10KeV－100KeV称为硬X射线（hard）。1MeV以上就是软伽玛射线了。不过，和近红外远红外的分界一样，这种区分的方法不是那么确定的，和观测仪器有关，也和工作的领域有关。上图中表示的是从伽玛射线到射电所对应的温度(温度计那一栏)和波长。波长与能量之间的换算。估算的时候有一个简单的记忆方法，氢原子的电离能为13.6eV，产生的谱线在912埃(光谱上会表现为lymanlimit)。温度与能量。X射线可以产生

2、于极高温的气体。从温度与能量换算的公式可以看到，近似的说，1.16e7K的气体产生的黑体辐射峰值基本上在1KeV。X射线同样也可以产生于相对论运动的气体。如果某个粒子发射的1214埃紫外光子(lymanalpha光子，为氢原子中的电子从第一激发态跃迁到基态n=2-->n=1所释放的光子)由于粒子朝向我们运动而多普勒蓝移到X射线，这个发射光子的这个粒子朝向我们的运动速度需要达到0.9998c，即0.9998倍光速。关于X射线，最著名的照片大概要算这张“伦琴夫人的手指”了。1895年，伦琴发现元素衰变时候产生的X射线，

3、发现其对轻元素(原子序数Z小)有很强的穿透能力，就像这张图片中，手指上的肉无法阻挡X射线。X射线与气体的作用主要有光电吸收和Compton散射。光电吸收是指一个X射线光子打在原子上，将原子中的一个电子从原子中打出去，从而X射线光子被吸收的过程。光电吸收的截面（相当于光子与原子产生光电吸收作用的概率）反比于光子能量E的三次方，正比于原子序数Z的四次方。截面与光子能量的关系告诉我们，能量低的X射线光子容易被光电吸收，能量高的X射线光子不容易被光电吸收。由于参与光电吸收过程的光子需要具有足够能量把电子从原子中打出去，因此

4、，光电吸收导致的X射线吸收是吸收边（absorptionedge），也就是从某个截断能量开始，能量越高，吸收变弱，低于截断能量没有吸收。这和光学波段常见的对称吸收线（absorptionline）是不一样的。吸收与截面与金属丰度的关系为我们解释了伦琴夫人手指的X射线照片。手指上的肉主要成分是水和有机物，即H、O、C；骨骼中的水比肉中的少，含有更多的C，还有钙Ca和磷P，平均的原子序数Z明显要比肉高出许多；而重金属制造而成的戒指原子序数Z就更高了。因此，在“伦琴夫人的手指”照片上，我们可以清楚的看出骨骼和戒指，却没有

5、看见手指上的肉。考虑X射线的吸收对于天文研究的影响的时候，经常会表达为氢原子的柱密度N_H（视线上每平方厘米的氢原子个数）的形式。宇宙学丰度的星际介质光深为。这种表达方式假设了元素丰度为宇宙学丰度，这样，知道了氢原子的柱密度也就知道了所有元素的柱密度，就知道介质对X射线的吸收能力。N_H=0.5e22个cm^{-2}的气体对于能量为1KeV的X射线光子光深为1，即这样的光的强度变为原来的1/e~1/2.7。天体的光穿过星际介质到达地球的过程中，对X射线产生影响的主要是气体，而对光学波段产生影响的主要是尘埃，即所谓尘

6、埃消光，用A_V（由于尘埃消光导致天体在V波段的星等暗了A_V等）来表示。在宇宙中常见的气体尘埃比例情况下，。也就是说，当V波段的星等下降了1等（相当于V波段光的强度下降为原来的1/2.5~0.4）时，N_H=1.9e21个cm^{-2}，X射线波段光的强度下降为原来的e^{-0.4}~0.7。当V波段的星等下降了5等（相当于V波段光的强度下降为原来的0.01）时，N_H=1e22个氢原子/cm^2，X射线波段光的强度下降为原来的e^{-2}~0.14，高了约有一个量级。因此，在天文观测中也经常会应用到X射线的穿透

7、能力比光学强的这个特点。探测尘埃消光严重的天体的X射线辐射，可以得到天体很多的信息。我们地球上空气分子的数密度是2.45e19cm^{-3}。多厚的空气能对X射线产生显著影响（也就是光深约为1）呢？空气的主要成分是N,O，接近与100%；而宇宙中的主要成分是H,除了H,He之外的“金属”只占了0.2%，因此，1cm厚的空气就相当于2.5e22cm^{-2}的氢原子柱密度N_H。也就是说，1KeV的光子在穿过1cm厚的空气之后，只剩下原来的0.007了。虽然高能的X射线光子能够穿透更厚的空气，但仍旧改变不了X射线需要

8、高空甚至空间探测的事实（这里暂不讨论能够通过契仑科夫望远镜探测的高能gamma光子）。图中X轴表示波长，Y轴表示海拔，单位为千米。纵向的彩色线条表示各波段的光子能穿透到海拔为多高的地方。比如，中间使用橙黄绿蓝表示的可见光就能够穿透大气，到达海平面。图中的Satellites,rockets,balloons,aircraft分别表示了卫星，火箭，气球，飞机所