光谱~来自宇宙的天书

"光"可以说是这个世界最迷人的话题之一，从人类文明诞生起就开始了光的讨论。在公元前六世纪到五世纪，古印度哲学中的一个学派认为光是组成世界万物的五微尘，另一个学派认为光是高速流动的火原子。在公元前300年，古希腊数学家、几何学之父欧几里得就著有《光学》，他尝试用数学来研究光的性质，并取得了一些成果。公元前55年，罗马的卢克莱修就意识到光可能是一种微粒。

17世纪，法国著名学者笛卡尔认为光是一种波，它需要在介质中传播。后来牛顿继承了这一观点，并在《光学》一书中将这种观点发扬光大。在这之前的四十年，胡克就发表了光的波动学说。胡克和牛顿的矛盾可能就源于这个学术观点的冲突，以至于发展成一生的敌人。牛顿说了一句话："我之所以看得远，是因为我站在巨人的肩上。"这是在嘲笑胡克是一个矮子。光的粒子性和波动性在随后的两百年一直都争执不休，各有各的道理，谁也说服不了谁。

直到20世纪初，光的波粒二象性才被科学家正确的认识。有了对光的正确认识后，天文学也有了重大的进步，天文学家可以通过分析光（电磁波）就可以了解发生在遥远宇宙中的几乎一切事情。接下来我们看一下天文学家都能从光谱里了解到一些什么信息。

图：电磁波光谱，可见光只占一小段，天文学家分析的光谱指的是整个电磁波波普

在1814年，德国眼镜商人约瑟夫.冯.弗劳恩霍夫发明了光谱仪，这个仪器可以将光分解成及其精细的结构。他发现这些色带中有一些暗线，这些暗线在光谱中出现的位置和发光的材料不同而不同，就如同材料的指纹一样。接下来人们对大部分元素进行了光谱分析，发现每种元素都有独特的光谱。

图：氢元素的发射光谱

天文学家用这种光谱仪来分析阳光，这才发现原来太阳也是由地球上常见的元素构成的啊！同样，用光谱分析远处的恒星，发现这些恒星和太阳的区别不大，不是以往认为的"黑球上的空洞"。

天文学家还可以根据维恩位移定律得知恒星表面的温度。即：温度与辐射的峰值波长成反比。波长越长，温度越低。红光波长长，温度低；蓝光波长短，温度高。

图：温度从低到高

但对太过遥远的恒星利用维恩定理来确定温度是困难的，后来，科学家发现不同温度范围时对谱线的吸收是不同的，这样就可以通过分析光谱就知道了遥远恒星的温度。知道了恒星的温度和谱线的宽度就能知道它的气压。

天文学家根据恒星光谱的不同，将它们进行了分类。并画在了赫罗图上，通过赫罗图我们可以知道恒星的演化阶段，知道它的过去和未来。

图：赫罗图

恒星的温度还可以告诉我们恒星单位面积释放了多少光。通过测量恒星的距离和视亮度，就可以计算出它的总共发出了多少光，这就可以计算出它表面积的大小，从而得到它的大小。

由于光具有波动性，所以它也有多普勒效应。就像一列火车迎面而来时汽笛声会显得尖锐，离去时声音会显得低沉。这是因为声波的波长会被声源的运动所压缩或拉长。光波同样具有这样的性质。通过对银河系外恒星光谱和太阳光谱的对比发现，它们大多数的光谱向波长长的红色一端移动了，即："红移"。

图：光的多普勒效应

图：遥远恒星（左）与太阳光谱（右）的对比，这些吸收谱线向着红色一端移动了

通过红移天文学家知道了大多数系外星系都在远离我们，这说明宇宙不是人们一直认为的静态，而是在膨胀。对这个结论进行反演，不难得到宇宙起源于一次大爆炸。

由于很多恒星都有伴星，像太阳这样的"独生子"是不多见的。恒星和伴星在万有引力作用下相互绕行，这种运动产生的多普勒效应使得光谱有规律的变化，分析这种变化就能得出它们运转的速度。我们还可以测量恒星间的距离，得到轨道参数。通过万有引力定律就能计算出恒星的质量。

由于行星围绕着恒星运行时会有规律的遮挡恒星发出的光，通过这点就能知道这颗恒星有无行星以及行星体积和质量的大小。在2001年，天文学家甚至通过分析系外行星通过恒星时对恒星光谱的吸收，分析出了系外行星大气层的元素构成。

测量光谱线分裂的近邻分支线的数量就能计算出恒星表面磁场强度。

光谱就像一本写着宇宙秘密的天书一样，等待着科学家去读解。这也是科学家总想着从政府预算中掏出数以十亿美元计的资金去发射太空望远镜的原因。

图：哈勃太空望远镜，远处恒星的光穿过了星系空间中的气体团，被吸收掉了特定的光谱，通过分析光谱就能知道这些难以被观测的气体团的成分和距离

一个哈勃太空望远镜的发射和维修就花费了约85亿美金，但物有所值啊！通过观察来自宇宙的光谱，科学家们测量出了更精确的造父变星的距离，得到了更加准确的哈勃常数范围，从而计算出更加正确的宇宙年龄与膨胀速度；确认了星系核心中存在着超大质量黑洞的理论；拍摄到了苏梅克-列维9号彗星撞击木星的照片；拍摄了哈勃深空等等。