光譜幫人類發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸 什么是光譜?

近日，俄羅斯航天集團(tuán)在拜科努爾發(fā)射場(chǎng)用“質(zhì)子-M”運(yùn)載火箭將俄羅斯與德國(guó)合作制造的“光譜-RG”太空望遠(yuǎn)鏡送入預(yù)定軌道。“光譜-RG”是一個(gè)X射線望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃將在未來(lái)大約7年時(shí)間內(nèi)掃描宇宙并發(fā)現(xiàn)大量星系團(tuán)和位于活動(dòng)星系核內(nèi)部的超大質(zhì)量黑洞。在眾多望遠(yuǎn)鏡中，以“光譜”二字命名的并不多，那么什么是光譜?為什么要觀測(cè)天體的光譜?

不同光子按波長(zhǎng)排列的游戲

從地球上的焰火到太空中的星星，很多物體都能發(fā)光。這些物體除了發(fā)出我們可見(jiàn)的光之外，還常常會(huì)發(fā)出我們?nèi)庋劭床坏降?ldquo;光”，比如伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線與無(wú)線電波——即天文學(xué)中所說(shuō)的射電波。所有種類的光，都是電磁波中的一種。

光同時(shí)具有粒子與波的特性，它們都由光子構(gòu)成。同一個(gè)物體可以發(fā)出具有各種波長(zhǎng)的光子，不同能量與個(gè)數(shù)的光子具有不同亮度。如果我們用一種儀器將一束光按照波長(zhǎng)分解，就可以得到各個(gè)波長(zhǎng)上光的亮度，這就是光譜。據(jù)此畫(huà)出的圖就是光譜圖。將物體發(fā)出的光分解為光譜的儀器就是光譜儀，也被稱為分光儀。

大自然中的水汽和簡(jiǎn)單制作的玻璃三棱鏡分別是天然與原始的光譜儀，它們可以將白色的陽(yáng)光分解為7種顏色，這就是陽(yáng)光中的可見(jiàn)光的光譜。專業(yè)的光譜儀使用的是精細(xì)制作的三棱鏡或者光柵，會(huì)將每個(gè)顏色分解到更精細(xì)的波長(zhǎng)范圍，并測(cè)出每個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光的亮度，從而獲得精確的光譜。從中，人們可以獲得大量重要的細(xì)節(jié)信息。

了解天體化學(xué)組成的探針

天文學(xué)家研究光譜的第一個(gè)作用是確定天體的化學(xué)組成。以太陽(yáng)為例，天文學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光譜是連續(xù)譜，但中間嵌著數(shù)百條黑線。深入的研究揭示出這些黑線的物理本質(zhì)：太陽(yáng)大氣層下方的各類元素發(fā)出各種波長(zhǎng)的光，這些光穿過(guò)太陽(yáng)大氣時(shí)，一些波長(zhǎng)的光被太陽(yáng)大氣中一些與其相同的元素吸收，因此比其他波段上的光暗得多，從而形成吸收線，即暗線。

每一種元素發(fā)出的光都有對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，就如同人的指紋一樣。如果發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光譜中的黑線對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與地球?qū)嶒?yàn)室里測(cè)出的氫發(fā)出的光的某幾種波長(zhǎng)相等，就可以判定太陽(yáng)上有氫元素。根據(jù)這個(gè)原理，天文學(xué)家確認(rèn)出太陽(yáng)大氣中的上百種元素及其含量。上述原理不僅可以用于確定太陽(yáng)中的元素與含量，還可以應(yīng)用于其他恒星、星系、行星、天然衛(wèi)星、分子云以及各種各樣的天體爆發(fā)事件。只要我們能夠獲得這些天體或者天體系統(tǒng)的光譜，就可以根據(jù)它們的光譜中的吸收線——類似于太陽(yáng)光譜中的黑線——的波長(zhǎng)，判斷出它們含有哪些元素以及每種元素的含量。天體光譜就如同天體的指紋。

譜線紅移揭示宇宙奧秘

對(duì)天體光譜進(jìn)行分析，不僅可以得到天體的化學(xué)組成信息，還可以判斷出天體的運(yùn)動(dòng)速度。光波和聲波一樣，遵循“多普勒效應(yīng)”：波源與觀測(cè)者接近時(shí)，波被壓短，也就是“藍(lán)移”;波源與觀測(cè)者遠(yuǎn)離時(shí)，波被拉長(zhǎng)，也就是“紅移”。根據(jù)壓縮與拉長(zhǎng)的程度，可以定量計(jì)算出波源靠近或者遠(yuǎn)離的速度。

根據(jù)這個(gè)原理，天文學(xué)家將測(cè)出的光譜與實(shí)驗(yàn)室里元素發(fā)光的光譜比較，得到其紅移或者藍(lán)移的數(shù)值，進(jìn)而計(jì)算出恒星與星系相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度。尤其重要的是，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系在遠(yuǎn)離地球，結(jié)合這些星系的距離，天文學(xué)家推斷星系的退行速度與距離成正比，這意味著宇宙在膨脹。倒退回去，宇宙起源于一個(gè)極小的點(diǎn)。它在100多億年前發(fā)生了大爆炸，然后開(kāi)始膨脹。這些驚世駭俗的結(jié)論都是在光譜分析的基礎(chǔ)上得到的。

此外，如果一個(gè)恒星周?chē)行行黔h(huán)繞，行星的引力將使恒星做橢圓運(yùn)動(dòng)，地球上的觀測(cè)者就可能探測(cè)到恒星運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的光譜紅移與藍(lán)移交替出現(xiàn)，從而判斷出這顆恒星周?chē)行行?。利用這個(gè)方法，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾百顆太陽(yáng)系外的行星，即系外行星。

在人造衛(wèi)星上天之前，天文學(xué)家只能探測(cè)到天體發(fā)出的可見(jiàn)光、近紅外輻射與部分射電波的光譜，無(wú)法精確測(cè)量。而星系團(tuán)與星系內(nèi)的大量熾熱氣體以及一些高能爆炸天體現(xiàn)象都會(huì)發(fā)射出大量X射線與伽馬射線輻射，一些低溫天體發(fā)出的光以紅外線為主，這些都無(wú)法用傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡與射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，也就無(wú)法分解出對(duì)應(yīng)波段的光譜。

人造衛(wèi)星上天之后，天文學(xué)家在人造衛(wèi)星上放置X射線與伽馬射線探測(cè)器，甚至直接發(fā)射紫外線望遠(yuǎn)鏡與紅外線望遠(yuǎn)鏡到太空，終于可以精確測(cè)量天體發(fā)出的中/遠(yuǎn)紅外線、紫外線、X射線與伽馬射線并得到它們的光譜，從而實(shí)現(xiàn)了“全波段天文學(xué)”的宏大目標(biāo)。“光譜-RG”便是其中一員。

關(guān)鍵詞： 光譜 宇宙大爆炸