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（封面圖片來(lái)源[1]）

可見(jiàn)光和光譜

天文研究工具箱里的第一神器是（可見(jiàn)光）光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)大概沒(méi)有爭(zhēng)議。盡管從 19 世紀(jì)開(kāi)始，人們了解到可見(jiàn)光僅僅占了整個(gè)電磁波頻譜里的極小一部分，0.0035%（不到十萬(wàn)分之四）！[2]，但是大多數(shù)現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡仍然是集中在可見(jiàn)光部分[3]。

但第二神器就難說(shuō)了，各人有各人的理解和偏愛(ài)：射電望遠(yuǎn)鏡（radio telescope），引力波探測(cè)器（gravitational wave observatory）[4]，引力波放大鏡（gravitational lensing），等等。

我的愚見(jiàn)：能排第二，得看它的使用廣泛程度。我認(rèn)為光譜分析（spectroscopy[5]）夠得上第二神器。百度里光譜分析的介紹[5]，本身已經(jīng)很詳細(xì)了，這里主要說(shuō)說(shuō)為啥光譜分析在天文研究領(lǐng)域里，應(yīng)用得如此廣泛。

從天文學(xué)一開(kāi)始，人們就意識(shí)到了，我們能夠收集到的信息太過(guò)單一，基本就是抬頭看天、睜眼見(jiàn)光。我們被困在這個(gè)淡藍(lán)色的小石頭上，沒(méi)法直接測(cè)量絕大多數(shù)天體（除了太陽(yáng)系的幾個(gè)天體外）的距離、質(zhì)量、角動(dòng)量、化學(xué)構(gòu)成、溫度、磁場(chǎng)，等等等等。直到我們歪打正著，發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始利用光譜分析來(lái)進(jìn)行這些測(cè)量。

早在公元前3百多年，羅馬帝國(guó)的人就開(kāi)始認(rèn)識(shí)到，可見(jiàn)光由不同頻譜的光組合而成，用各種自然或人工磨制的棱鏡，可以分解光譜[6]。到了 17 世紀(jì)，牛頓（怎么又是他，怎么到處都是他？！）仔細(xì)研究了光的反射和折射[7]，光和光譜的關(guān)系，寫了著名的《光學(xué)》一書：

在書里，他詳細(xì)、系統(tǒng)地介紹了他的各種光譜實(shí)驗(yàn)，為將來(lái)的光譜分析奠定了理論基礎(chǔ)。17 世紀(jì)，還有不少其他科學(xué)家如惠更斯[8]，胡克[9]，等人也對(duì)光譜做了詳細(xì)研究。

吸收線和發(fā)射線

到了 19 世紀(jì)，光譜分解的精度提高，不少科學(xué)家歪打正著，發(fā)現(xiàn)了光譜并不連續(xù)[10]：

這就是后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到的光譜吸收線。當(dāng)全頻譜的白光通過(guò)某種物質(zhì)氣體（如氫氣）時(shí)，一定頻段的光線會(huì)被這種物質(zhì)氣體吸收：

而同樣的，這種物質(zhì)氣體（如氫氣）燃燒發(fā)光，自身會(huì)產(chǎn)生發(fā)射譜線：

如果你觀察仔細(xì)，應(yīng)該已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了吸收線和發(fā)射線就像照片和底片一樣的互為陰陽(yáng)。

同時(shí)，19 世紀(jì)的人們觀察發(fā)現(xiàn)，每一種元素，它們的譜線都是獨(dú)一無(wú)二的，氫元素的譜線和氧元素的譜線完全不同，就像人類的指紋一樣。有了這樣的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)后，天文學(xué)家開(kāi)始廣泛應(yīng)用光譜分析，把這種手段玩到了極致。

應(yīng)用一：化學(xué)構(gòu)成分析

這個(gè)最直接：通過(guò)對(duì)恒星的光譜分析，找到它的化學(xué)構(gòu)成。例如下面是法國(guó)一位天文學(xué)家 Matthieu 對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行的頻譜分析[11]。首先是太陽(yáng)光的光譜（從左到右，波長(zhǎng)增加。原始照片是黑白的，彩色是后期著色上去的）：

把光譜用軟件轉(zhuǎn)換后，生成的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的圖形：

其中每一尖銳的波谷可以讓我們找出對(duì)應(yīng)的元素吸收線（如 H 氫，Ca 鈣，F(xiàn)e 鐵），從而達(dá)到分析太陽(yáng)表面化學(xué)構(gòu)成的目的。

應(yīng)用二：表面溫度

這個(gè)也很直接：通過(guò)恒星光譜分析，找到最強(qiáng)波長(zhǎng)，用此波長(zhǎng)，通過(guò) Wien's Displacement Law（維納位移定律[12]），直接算出恒星的表面溫度。

應(yīng)用三：半徑

這個(gè)好像有點(diǎn)不靠譜，沒(méi)有關(guān)系的感覺(jué)。我們先測(cè)量恒星亮度（Luminosity），再根據(jù) Stefan–Boltzmann Law（斯特凡-波茲曼定律[13]，闡述了恒星表面能量和溫度的關(guān)系），來(lái)間接計(jì)算恒星表面積，因?yàn)楸砻婺芰渴橇炼群捅砻娣e的乘積。有了表面積，計(jì)算半徑就是中學(xué)數(shù)學(xué)了。

應(yīng)用四：表面重力加速度

這個(gè)應(yīng)用也比較高級(jí)。天文學(xué)家通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，恒星光譜里吸收線的寬度和其表面重力加速度有關(guān)，這一現(xiàn)象和關(guān)系叫做"吸收線壓力拓寬"（absorption line pressure broadening）[14]，下圖是 氫-7 吸收線在不同重力加速度的環(huán)境下的變寬程度：

為什么恒星表面重力會(huì)使得其光譜吸收線變寬？其原理大體上是因?yàn)楦叩谋砻嬷亓铀俣葧?huì)使得恒星大氣層的壓力更高，更高的壓力使得大氣層里元素的碰撞更頻繁，產(chǎn)生更多擾動(dòng)（perturbation），使得譜線吸收能更容易地在主吸收線附近發(fā)生，從而拓寬吸收線。

應(yīng)用五：質(zhì)量、密度

這不，水到渠成。有了表面重力加速度，有了半徑，恒星質(zhì)量、密度的推導(dǎo)就是高中物理了。沒(méi)有前面的那些鋪墊，怎么可能想到恒星光譜分析，可以用來(lái)推導(dǎo)恒星質(zhì)量、密度，風(fēng)馬牛不相及啊。是不是對(duì)前人特敬仰？需要指出的是，此質(zhì)量、密度推導(dǎo)的誤差比較大，一般用來(lái)作為候補(bǔ)和校對(duì)。

應(yīng)用六：速度

好吧，又是看似一個(gè)風(fēng)馬牛不相及的應(yīng)用。從前面的介紹里我們知道，特定元素的發(fā)射線或吸收線都是有固定的、唯一的、和特殊的模式（pattern）。在觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)的恒星，或星系，或其他天體，如果我們發(fā)現(xiàn)其光譜分析里的特定元素吸收線的模式出現(xiàn)了，但是吸收線波長(zhǎng)的位置出現(xiàn)位移，那我們就知道這個(gè)位移是來(lái)自于紅移（或藍(lán)移）[15]：

上圖中綠色吸收線的模式（pattern）和紅色的是一樣，可以認(rèn)定是同一種元素產(chǎn)生的吸收線。但是在實(shí)際觀察中，我們只觀察到了紅色譜線，也就是說(shuō)，譜線產(chǎn)生了紅移。根據(jù)紅移量，我們可以計(jì)算出該天體相對(duì)于我們的移動(dòng)速度。

應(yīng)用七：距離

越來(lái)越離譜了，光譜分析和距離有啥關(guān)系？有！看這一篇[16]：

《天文學(xué)里幾個(gè)有品味格調(diào)的長(zhǎng)度單位》

https://zhuanlan.zhihu.com/p/630539236

如果你知道了天體的紅移，就等于知道了天體的距離。當(dāng)然這是針對(duì)遙遠(yuǎn)天體而言（幾十億，甚至上百億光年），因?yàn)樵谶@些距離上，宇宙膨脹產(chǎn)生的紅移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天體本身飛行的速度，所以，我們可以用紅移來(lái)指代距離。

事實(shí)上，光譜分析是用來(lái)測(cè)量遙遠(yuǎn)天體距離的最主要的一個(gè)手段。

應(yīng)用八：磁場(chǎng)

估計(jì)大家已經(jīng)麻木了，反正啥都可以用光譜分析來(lái)測(cè)量了。太對(duì)了！我們發(fā)現(xiàn)，光譜吸收線在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生明顯的分叉變化，我們稱它為 Zeeman Effect 塞曼效應(yīng)[17]：

圖中：A 是沒(méi)有磁場(chǎng)的水銀吸收線；B 是在垂直磁場(chǎng)中；C 是在平行磁場(chǎng)中。吸收線的分叉的程度和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。所以，我們可以借助對(duì)吸收線分叉的觀測(cè)，來(lái)間接推導(dǎo)天體磁場(chǎng)的分布和強(qiáng)度。

應(yīng)用九：角動(dòng)量

對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)，它的自轉(zhuǎn)會(huì)造成天體赤道一邊朝向我們運(yùn)動(dòng)，而另一邊是遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)相反方向的運(yùn)動(dòng)（即速度）會(huì)造成天體赤道兩邊紅移量不同。根據(jù)我們光譜分析，可以探測(cè)到兩邊吸收線紅移量的不同，由此推斷出天體自轉(zhuǎn)速度。再結(jié)合其他測(cè)量數(shù)據(jù)（如前面說(shuō)的用光譜測(cè)天體質(zhì)量，和天體半徑），來(lái)計(jì)算天體的角動(dòng)量[18]:

對(duì)于黑洞來(lái)說(shuō)，它本身不發(fā)光，所以沒(méi)法直接使用上面所述的光譜分析方法。

很多黑洞周圍都有吸積盤（accretion disk），吸積盤是旋轉(zhuǎn)的。我們可以通過(guò)觀察和測(cè)量吸積盤的光譜分析，來(lái)發(fā)現(xiàn)：第一，中央黑洞是靜止不轉(zhuǎn)，或是和吸積盤旋轉(zhuǎn)方向一致，還是和吸積盤旋轉(zhuǎn)方向相反；第二，黑洞的自旋速度、角動(dòng)量[19]：

在黑洞自旋兩個(gè)方向或靜止的三種情況下，周圍吸積盤最內(nèi)層的鐵原子，因?yàn)楦咚俎D(zhuǎn)動(dòng)，激發(fā) X 射線。如果對(duì)此 X 射線進(jìn)行光譜分析（記住，X 射線也是光，或者更準(zhǔn)確的說(shuō)法，也是電磁波的一種），我們可以發(fā)現(xiàn)，三種不同情況下，鐵原子 X 光的光譜亮度曲線明顯不一樣。天文物理學(xué)家根據(jù)這些光譜數(shù)據(jù)，加上廣義相對(duì)論的計(jì)算，可以推導(dǎo)出黑洞是靜止還是轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，和轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量。

總結(jié)

兩點(diǎn)感想：

1. 光譜分析是萬(wàn)金油，在天文研究里，什么地方都可以用，而且往往是第一步就用到的一個(gè)必不可少的神器。

2. 在信息有限的情況下，聰明的科學(xué)家會(huì)把每一分、每一點(diǎn)的潛力，統(tǒng)統(tǒng)挖掘出來(lái)，用少得極其可憐的一點(diǎn)點(diǎn)信息，研究出一整個(gè)世界的內(nèi)容！

參考

1. ^https://leverageedu.com/blog/what-is-spectroscopy/

2. ^https://www.energy.gov/nnsa/articles/visible-light-eye-opening-research-nnsa

3. ^一個(gè)不完全的統(tǒng)計(jì)：現(xiàn)有的 100 個(gè)地基大型天文望遠(yuǎn)鏡，其中 64 個(gè)是可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡。?https://github.com/jf-tech/blogs/blob/master/2023-09-17-spectroscopy/incomplete-list-of-telescopes.md

4. ^引力波探測(cè)器系列?https://zhuanlan.zhihu.com/p/650059042

5. ^ab光譜學(xué)?https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E8%B0%B1%E5%AD%A6/1413016

6. ^羅馬人對(duì)光、光譜、棱鏡的認(rèn)識(shí)和研究?https://open.oregonstate.education/physicsforteachers/chapter/historical-and-current-perspectives-on-the-nature-of-light/

7. ^牛頓著作的《光學(xué)》一書，出版于 1702 年。?https://library.si.edu/digital-library/book/optickstreatise00newta

8. ^惠根斯的《Treatise on light》?https://www.gutenberg.org/ebooks/14725

9. ^羅伯特.胡克的《Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses》?https://www.loc.gov/item/11004270/

10. ^1801 年英國(guó)科學(xué)家 William Wollaston 發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)棱鏡散射后，光譜不連續(xù)，有暗條紋。?https://www.khanacademy.org/science/physical-chemistry-essentials/x98cdf762ed888601:structure-of-atom/x98cdf762ed888601:bohr-s-model-of-hydrogen-atom/a/absorptionemission-lines

11. ^法國(guó)天文學(xué)家 Matthieu 對(duì)太陽(yáng)光線進(jìn)行的頻譜分析?https://stellartrip.net/soleil-analyse-spectre/?lang=en

12. ^Wien's Displacement Law 維恩位移定律，揭示恒星的溫度和其光波長(zhǎng)的關(guān)系。?https://baike.baidu.com/item/%E7%BB%B4%E6%81%A9%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E5%AE%9A%E5%BE%8B/4234590

13. ^斯特凡-波茲曼定律，揭示了恒星表面輻射熱功率和其溫度的 4 次方成正比。?https://baike.baidu.com/item/%E6%96%AF%E8%92%82%E8%8A%AC(Stefan)-%E7%8E%BB%E8%80%B3%E5%85%B9%E6%9B%BC(Boltzman)%E5%AE%9A%E5%BE%8B/15195183

14. ^通過(guò)吸收線來(lái)研究恒星《STELLAR ATMOSPHERES. II: THE ANALYSIS OF ABSORPTION LINES》?https://people.ast.cam.ac.uk/~pettini/Stellar%20Structure%20Evolution/Lecture06.pdf

15. ^《Using spectra to derive motions》?http://spiff.rit.edu/classes/phys301/lectures/doppler/doppler.html

16. ^紅移也是距離。?https://zhuanlan.zhihu.com/p/630539236

17. ^Zeeman Effect 塞曼效應(yīng) - 吸收線在磁場(chǎng)中的變化。?https://baike.baidu.com/item/%E5%A1%9E%E6%9B%BC%E6%95%88%E5%BA%94/1787148

18. ^利用自轉(zhuǎn)天體赤道兩端不同的速度造成的光譜紅移來(lái)測(cè)量角動(dòng)量。?https://qr.ae/pyfqIX

19. ^用 X 光譜分析來(lái)確定及測(cè)量黑洞的自旋。?https://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/multimedia/pia16696.html