光譜~來自宇宙的天書

光譜資訊可以得到什麼

“光”可以說是這個世界最迷人的話題之一，從人類文明誕生起就開始了光的討論。在公元前六世紀到五世紀，古印度哲學中的一個學派認為光是組成世界萬物的五微塵，另一個學派認為光是高速流動的火原子。在公元前300年，古希臘數學家、幾何學之父歐幾里得就著有《光學》，他嘗試用數學來研究光的性質，並取得了一些成果。公元前55年，羅馬的盧克萊修就意識到光可能是一種微粒。

17世紀，法國著名學者笛卡爾認為光是一種波，它需要在介質中傳播。後來牛頓繼承了這一觀點，並在《光學》一書中將這種觀點發揚光大。在這之前的四十年，胡克就發表了光的波動學說。胡克和牛頓的矛盾可能就源於這個學術觀點的衝突，以至於發展成一生的敵人。牛頓說了一句話：“我之所以看得遠，是因為我站在巨人的肩上。”這是在嘲笑胡克是一個矮子。光的粒子性和波動性在隨後的兩百年一直都爭執不休，各有各的道理，誰也說服不了誰。

直到20世紀初，光的波粒二象性才被科學家正確的認識。有了對光的正確認識後，天文學也有了重大的進步，天文學家可以透過分析光（電磁波）就可以瞭解發生在遙遠宇宙中的幾乎一切事情。接下來我們看一下天文學家都能從光譜裡瞭解到一些什麼資訊。

圖：電磁波光譜，可見光只佔一小段，天文學家分析的光譜指的是整個電磁波波普

在1814年，德國眼鏡商人約瑟夫。馮。弗勞恩霍夫發明了光譜儀，這個儀器可以將光分解成及其精細的結構。他發現這些色帶中有一些暗線，這些暗線在光譜中出現的位置和發光的材料不同而不同，就如同材料的指紋一樣。接下來人們對大部分元素進行了光譜分析，發現每種元素都有獨特的光譜。

圖：氫元素的發射光譜

天文學家用這種光譜儀來分析陽光，這才發現原來太陽也是由地球上常見的元素構成的啊！同樣，用光譜分析遠處的恆星，發現這些恆星和太陽的區別不大，不是以往認為的“黑球上的空洞”。

天文學家還可以根據維恩位移定律得知恆星表面的溫度。即：溫度與輻射的峰值波長成反比。波長越長，溫度越低。紅光波長長，溫度低；藍光波長短，溫度高。

圖：溫度從低到高

但對太過遙遠的恆星利用維恩定理來確定溫度是困難的，後來，科學家發現不同溫度範圍時對譜線的吸收是不同的，這樣就可以透過分析光譜就知道了遙遠恆星的溫度。知道了恆星的溫度和譜線的寬度就能知道它的氣壓。

天文學家根據恆星光譜的不同，將它們進行了分類。並畫在了赫羅圖上，透過赫羅圖我們可以知道恆星的演化階段，知道它的過去和未來。

圖：赫羅圖

恆星的溫度還可以告訴我們恆星單位面積釋放了多少光。透過測量恆星的距離和視亮度，就可以計算出它的總共發出了多少光，這就可以計算出它表面積的大小，從而得到它的大小。

由於光具有波動性，所以它也有多普勒效應。就像一列火車迎面而來時汽笛聲會顯得尖銳，離去時聲音會顯得低沉。這是因為聲波的波長會被聲源的運動所壓縮或拉長。光波同樣具有這樣的性質。透過對銀河系外恆星光譜和太陽光譜的對比發現，它們大多數的光譜向波長長的紅色一端移動了，即：“紅移”。

圖：光的多普勒效應

圖：遙遠恆星（左）與太陽光譜（右）的對比，這些吸收譜線向著紅色一端移動了

透過紅移天文學家知道了大多數系外星系都在遠離我們，這說明宇宙不是人們一直認為的靜態，而是在膨脹。對這個結論進行反演，不難得到宇宙起源於一次大爆炸。

由於很多恆星都有伴星，像太陽這樣的“獨生子”是不多見的。恆星和伴星在萬有引力作用下相互繞行，這種運動產生的多普勒效應使得光譜有規律的變化，分析這種變化就能得出它們運轉的速度。我們還可以測量恆星間的距離，得到軌道引數。透過萬有引力定律就能計算出恆星的質量。

由於行星圍繞著恆星執行時會有規律的遮擋恆星發出的光，透過這點就能知道這顆恆星有無行星以及行星體積和質量的大小。在2001年，天文學家甚至透過分析系外行星透過恆星時對恆星光譜的吸收，分析出了系外行星大氣層的元素構成。

測量光譜線分裂的近鄰分支線的數量就能計算出恆星表面磁場強度。

光譜就像一本寫著宇宙秘密的天書一樣，等待著科學家去讀解。這也是科學家總想著從政府預算中掏出數以十億美元計的資金去發射太空望遠鏡的原因。

圖：哈勃太空望遠鏡，遠處恆星的光穿過了星系空間中的氣體團，被吸收掉了特定的光譜，透過分析光譜就能知道這些難以被觀測的氣體團的成分和距離

一個哈勃太空望遠鏡的發射和維修就花費了約85億美金，但物有所值啊！透過觀察來自宇宙的光譜，科學家們測量出了更精確的造父變星的距離，得到了更加準確的哈勃常數範圍，從而計算出更加正確的宇宙年齡與膨脹速度；確認了星系核心中存在著超大質量黑洞的理論；拍攝到了蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星的照片；拍攝了哈勃深空等等。

圖：哈勃望遠鏡拍攝到的一些照片

但哈勃太空望遠鏡還遠遠滿足不了天文學家的“貪婪”，總耗資96。6億美元的詹姆斯。韋伯太空望遠鏡將於2021年升空，它比哈勃望遠鏡更加的先進，看得也更遠，它的發射預示著一大波宇宙的奧秘將被發現。

圖：詹姆斯。韋伯太空望遠鏡

圖：人、哈勃太空望遠鏡和詹姆斯。韋伯太空望遠鏡的比較

圖：普通地面望遠鏡、哈勃望遠鏡、詹姆斯。韋伯太空望遠鏡成像距離的比較