天体辐射机制——天文学科普讲座之三（光谱分析）

时间：2019-09-2721:00

主题：天体辐射机制

主讲人：Charon

参考资料：李向东老师的《普通天文学》，郑广生老师的《高能天体物理》。

关键词：成像、光谱、连续谱、发射线、吸收线、普朗克辐射、基尔霍夫定律、维恩近似、瑞利-金斯近似、维恩定律、斯特潘-玻尔兹曼定律、亮温度、有效温度、色温度、视星等、色指数、绝对星等、氢原子谱线、禁戒线、谱线频移、谱线展宽。

天体辐射机制这个题目可以开一门课，但是我们今天就简单介绍一下最基本的东西。可能会涉及一些公式，可以依自己的情况来学习或者略过。

人们获得天体信息的渠道有四种：电磁辐射、宇宙射线、中微子、引力波。其中电磁辐射最为重要。电磁辐射由光子构成(粒子性)，光子的能量与频率(或颜色)有关：频率越高(低)，能量越高(低)。

我们主要研究的数据分为图像和光谱两种。我们使用成像仪来获取图像数据，比如下图就是同一星系在不同波段的直接成像。

我们对空间进行采样，但是接收光子的波长范围较宽。下图是一个光学红外波段的滤光系统，光子透过率随着波长的变化，峰值附近的光子能够最好地被接收，我们不会区分一个波段内的不同光子，也就是没有谱分辨率。（当然我们现在也会使用积分场光谱仪，同时具有空间分辨率和谱分辨率，可以得到三维的数据，两维空间，一维光谱频率）

具体的仪器和测光系统的知识以后也许会涉及。

下面我们讲一下光谱的观测和理解。

我们的光谱一般由三个部分组成：连续谱、发射线、吸收线。如下图所示，热的、致密的固体液体和气体产生连续谱；热的、稀薄的气体产生发射线；连续谱经过冷的、稀薄的气体后产生吸收线。

大部分正常恒星的连续谱可以用黑体辐射来近似地表示，也就是普朗克辐射，所以这是天体物理中的一个最基本也最重要的概念。

黑体：能吸收所有的外来辐射(无反射)并全部再辐射的理想天体。

黑体辐射：具有特定温度的黑体的热辐射。

普朗克定律：温度为T的黑体在单位面积、单位时间、单位频率内、向单位立体角发射的能量为：

黑体辐射在长波和短波分别有两种近似形式：短波近似又叫维恩近似，长波近似又叫瑞利-金斯近似，所以在长波波段，黑体辐射和温度是线性关系。

维恩定律（维恩位移定律）是黑体辐射峰值处波长和温度之间的关系。黑体温度越高，辐射波长越短。

下图就是不同天体的热辐射：显示了温度和峰值波长的关系。

斯特潘-玻尔兹曼定律：我们将黑体辐射对频率进行积分，就会得到总的辐射强度，然后对接收面积进行积分，就会得到总的能量强度，与温度的四次方成正比。

下面简单介绍一下天文中的几种温度：

亮温度：假设天体在特定波段下只有黑体辐射，由普朗克公式根据总流量强度算出的温度。如果亮温度反常地高，说明可能实际上包含非热辐射。在射电波段，我们可以使用瑞利-金斯近似：

有效温度：与黑体辐射的总光度相关。

亮温度和有效温度的区别：亮温度取决于光子频率，有效温度与之无关。为了确定有效温度，我们必须知道源的大小。

色温度：相关于天体不同波段的相对辐射，反映了天体颜色的差别，与光谱型有关。

亮温度和有效温度都取决于源的星等，但是色温度只取决于光谱的形状，所以色温度和有效温度可能有较大的差别。

下面就讲一下恒星的星等。

光度L：天体在单位时间内辐射的总能量，是恒星的固有量。亮度F：在地球上单位时间单位面积接收到的天体的辐射量。视亮度的大小取决于三个因素：天体的光度、距离和星际物质对辐射的吸收和散射。星等分为视星等和绝对星等。

视星等：古希腊天文学家Hipparcos在公元前150年左右首先创立的表征恒星亮度的系统(1等星-6等星)。星等值越大，视亮度越低。天文学家在此基础上建立了星等系统，定义星等相差5等的天体亮度相差100倍，即星等每相差1等，亮度相差(100)1/5=100.4≈2.512倍。

星等分别为m1和m2的恒星亮度之比为：

视星等的测量通常是在某一波段范围内进行的，根据测量波段的不同，视星等可以分为目视星等、照相星等和光电星等。在全波段测量得到的星等称为热星等。

色指数：在不同波段测量得到的星等之差，如U-B,B-V等。由于天体的颜色和辐射谱的形状取决于表面温度的高低，色指数的大小反映了天体的温度。

绝对星等：天体位于10pc距离处的视星等，它反映了天体的实际光度。

下面简单讲一下谱线。

原子谱线与原子结构有关，谱线的频率对应着原子中电子跃迁的频率。当电子从高能态跃迁到低能态时，原子释放光子，产生发射线，反之产生吸收线。当然我们也有分子谱线，与分子的转动、振动等有关。

下面是氢原子结构和产生的光谱的示意图。

氢原子光谱有几个线系，著名的巴尔末线系在光学，而莱曼线系在紫外，剩下的都在红外或更长的波段。从上图和下表中都可以看出不同谱线对应的跃迁能级和谱线波长。

根据探测到的谱线，我们就可以确定天体中的化学成分。不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。

但是还有一种谱线，代表了一些发生概率极低的物理过程，称为禁戒线。但是正因如此，它们很少受到环境因素的干扰，成为了我们重要的研究目标。比如著名的氢21cm谱线，也叫中性氢线。当氢原子处在能量最低的能级时，质子的自旋状态从平行变成反平行时会发生超精细分裂。这个跃迁的概率极小（约只有2.9×10−15s−1），几乎不可能发生，但是星际空间有大量的中性氢原子，所以这种谱线可以被我们观测到。

谱线频移：也就是非常著名的红移和蓝移，一般有多普勒频移（运动造成）和宇宙学频移（与距离成正比）。

谱线展宽：自然展宽、压力展宽、多普勒展宽。辐射源内部原子的无规热运动、辐射源的整体运动(如转动)造成谱线致宽。

根据谱线的频移和展宽，我们也可以分析目标的动力学信息。

【完】

（注：本网络讲座取得主讲人Charon授权，由星宇飘零整理并首发于网络平台。）

——后记——

这是天文学系列讲座的第三讲，内容较硬，但读者可以按照自己的基础和需求来选择性吸收，如果你只是作为科普知识吸取，那可以略过所有公式，即使略去所有公式后，这仍然是一篇很硬的科普文。

平常在解释宇宙学的科普书和科普文中，我们会经常看到光谱这个词，比如星系（光谱）红移、宇宙微波背景辐射、引力（光谱）红移等等……不单如此，对黑体辐射谱的研究直接催生了量子论，并最终建立了现代两大基础力学之一的量子力学。

这些故事大家耳熟能详，但可能我们对光谱具体是怎么应用于这些分析一头雾水，从这个讲座中我们可以对以往的知识进行一个升级。比如宇宙微波背景辐射是一个连续谱，属于黑体辐射谱，它的初始频谱与发出时的初始的温度有关，而理论上给出这个温度大约为3000K左右，这是宇宙大爆炸初期高温等离子体中原子核俘获电子时的温度，此时光子不再与中性的原子核耦合，宇宙变得透明，光子开始在宇宙中穿行。这就形成了我们现在探测到的背景辐射，而现在的宇宙微波背景辐射在黑体辐射光谱的温度为2.72548±0.00057K。

又比如星系红移，这个词我们都听过，但真正知道它具体是怎么分析出来的却不多，大家可能只是笼统地知道光谱发生了红移，而通过今天的讲座我们了解了发射线和吸收线，这是原子光谱的指纹，每一种元素的发射线和吸收线都是独一无二的，相当于元素的指纹，天文学家正式基于氢元素的这种指纹，分析其频移从而得出所有星系正在远离的事实，宇宙学家从而建立现在的标准宇宙模型——宇宙大爆炸模型。