宇宙中三种最特别的光

仉博简

不管电磁辐射的波长为多少，从物理学的角度看，它们都是光，即电磁波，包括γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波等。其中的可见光是我们最熟悉的光，我们所熟知的彩虹就包含了所有颜色的可见光。

其他都是一些不可见光，但我们有时可以体验到它们。比如，在一个温暖的夏日，我们的身体可以感受到太阳的红外线带来的热量。而一些光只有我们接收到足够的剂量才能体验到，比如在海滩上长时间晒太阳导致的紫外线灼伤，或者来自放射性物质的伽马辐射带来的有害影响。

在宇宙中，虽然大部分的光来自亿万颗相对平静的恒星，或者来自宇宙大爆炸后留下的余热（宇宙微波背景辐射），但宇宙中也充满了许多很特别的光。下面，我们列举其中三个特别的光并对其进行分析。

高速旋转产生的光

根据电动力学相关的理论，电子等带电粒子只要进行加速运动，就会产生电磁辐射。一个广播电台的发射天线，能通过迅速变化的电流，或者说是在天线内来回摆动的电子发送信号，就是使电子做加速运动，就会产生一种电磁辐射——无线电波，最终让你的汽车音响接收到电台广播。

要想产生十分强的电磁辐射，来回摆动并不是一种很有效的加速运动，因为这会很快消耗掉大量的能量。所以，为了提高效率，你可以把天线弯曲成一个环形，然后用可产生超强磁场的装置让这些电子在磁场的加速作用下，以接近光速的速度绕着天线进行旋转。

新天线中电子沿着一个环形路径不断旋转下去，它们的速度方向每时每刻都在发生着改变，而速度的方向发生改变也属于加速运动，所以根据电动力学，这些旋转的电子仍然能够发出电磁辐射。但因为产生的电磁辐射很强，这个天线里的电子不再像以前那样产生无线电波，而是能量更高的紫外线和X射线。

我们都知道，广播天线产生的无线电波是朝着四面八方辐射出去的，但这个新天线里每个电子产生的辐射不是朝着四面八方，而是沿着运动的切线方向集中辐射出去的，这样，每一个产生辐射的电子看起来像是一辆快速转弯的汽车的前灯。

这种电磁辐射最初是在同步加速器（一种环形的粒子加速器）中观测到的，因此它被称为同步加速器辐射或同步辐射。长期以来，物理学家十分不喜欢同步辐射，因为它会消耗了加速器的能量，但随后发现，同步辐射很好操控，可以用来当作一种光源来完成其他的科学实验。所以，现在许多加速器都装有利用同步辐射进行实验的设备。

同步辐射也可以在宇宙中天然形成，只要某个地方电子遇到了强磁场，就有机会产生同步辐射。人类在太空中第一次检测到的同步辐射，是M87星系喷射出来的一个长达5000光年的喷流产生的。脉冲星周围的星云也会产生同步辐射，因为脉冲星会产生强磁场，而星云里又有很多电子。

在介质中超过光

我们都知道，光在真空中的速度是宇宙中最快的速度，任何物质和信息的运动和传播速度都不能超过此速度。但当光穿过水、空气等透明的介质时，光速会大为减慢。例如，光在水中的传播速度仅约为在真空中的速度的四分之三。由于光在介质中是如此的“步履蹒跚”，那么其他一些粒子，比如电子、质子等，就有机会在介质中运动得比光还快。

如果一个物体在介质中的运动速度快于音速，比如一架超音速战斗机高速飞行时，那么它会产生一种被称为“音爆”的巨大响声，这是因為由物体运动前方产生的音波无法及时离开物体，因此被“堆积”了起来，形成了一种声音的圆锥形冲击波，并向四周扩散。此外，当快艇的速度超过水波速度时，也会在水面上产生很大的弓形冲击波，并在水面上扩散。与之类似的是，一个带电粒子（比如电子）比光更快地通过一个介质时，也会产生一种由光子构成的圆锥形冲击波，并向四周辐射出去，而且带电粒子运动的速度越快，产生的辐射就越强。

这种辐射最初是1934年由苏联物理学家切连科夫发现的，因此被称为“切连科夫辐射”。切连科夫辐射通常出现在核反应堆和高能物理实验设备中，带电粒子高速穿过这些设备中的水池时，就会产生这种辐射。可见光波段部分的切连科夫辐射看起来呈亮蓝色，但实际上，切连科夫辐射产生的大部分光线其实是肉眼看不见的紫外线，而且只有带电粒子运动速度极快时，才会使可见光波段变得明显而得见。

在许多物理实验中，检测切连科夫辐射是一种检测高能粒子的重要方法之一。此外，来自宇宙射线和伽马射线暴的一些高能粒子进入地球大气层时，其运动速度能超过光在空气中的速度，可以发出切连科夫辐射。通过检测它们所发出的切连科夫辐射，物理学家可以了解有关宇宙射线和伽马射线暴的相关信息。

来自急刹车的光

最后我们要介绍的特别的光叫做轫致辐射，又称刹车辐射或制动辐射，是带电粒子受到其他电荷影响，在运动过程中发生减速时产生的一种辐射。

轫致辐射最常见的例子是电子遇到原子核时产生的。具体地说，当电子快速移动时，有时它会近距离靠近原子核，电子的能量越高，那么它就有更多的机会靠近原子核。如果温度足够高，电子就不会被捕获并与原子核形成原子。相反，电子只会感觉到一个短暂的相互吸引的力，轻微地被拉动，导致它在运动过程中发生偏转并减速，而速度发生改变就是加速运动，根据电动力学，电子必然会发出电磁辐射。

这只能发生在高能环境中，因此，韧致辐射在通常情况下是以X射线的形式出现的。在医学和工业中，我们就经常利用这个原理来产生X射线的。而在宇宙中，有一个特别的环境非常适合制造韧致辐射，那就是宇宙中的庞然大物——星系团。

星系团是由数百到数千个星系构成的结构，它们通常都聚集在有着数百万光年的范围内。星系团中，星系之间还有着炽热的但极为稀薄的等离子体，它们被称为星系团内介质。对于一个星系团来说，星系团内介质的总质量可达可见星系总质量的3～5倍。这些介质含有许多电子和原子核，电子近距离遭遇原子核的事件会经常上演，所以它们会产生大量的韧致辐射。当我们用X射线望远镜观察这些星系团时，我们就能看到巨大且明亮的X射线辐射团。