通過「恆星光譜」可以提供關於恆星非常多的信息

2020-12-11 07:28:35 佚名

天文研究和考古學有非常相似的地方，它們都是從過去的歷史裡面去還原事件的真相，平時我們看到的星光，其實裡面包含了非常多的信息值得我們去探討的。

「孔德」是法國的一名哲學家，他曾經提出了這樣一個論斷——“人類永遠不可能去了解星星的化學組成”，而他之所以提出論斷是為了想出一個命題，看看人到底不能夠做什麼。

“然而，他的話音未落，天文學家就開始利用分光儀來觀測星光，現在天文學對於恆星和星雲化學成分的瞭解，比我們對於櫃子裡的藥品還要更多一些。”這是在《數學與想象》裡面的一段話，它非常形象地揭示了天文學家利用星光來探討恆星內部結構的這樣一個特點，在今天如果我們去比較一下太陽和地球的內部結構，你會發現對於太陽的瞭解要遠遠地比地球豐富深入的多，從太陽的核心到太陽的表面，人們建立的物理模型所得到的太陽基本的物理參數的變化和觀測得到結果非常精確地吻合，可能你會覺得奇怪，為什麼對於遙遠的太陽反而比腳下的地球瞭解的更多一些？

答案：「星光」。

星光隱藏著天體的溫度

1666年「牛頓」作出了一個重大的貢獻，他利用一個「三稜鏡」把太陽光分解成為多色光，其實我們並不需要用特別的儀器或者是設備去探討星光或者是太陽光，到大自然裡面去走一走，我們就可以看到太陽光裡面所包含的豐富的物理的內容，元代的「白樸」有這樣一句詞“青山綠水，白草紅葉黃花”，各種顏色它們代表了大自然的芬芳，但是人們所沒有想到的是，其實它們也反映了太陽光所包含的顏色，因為實際上我們看到的各種的顏色，它並不是來自於物體本身的輻射，而它們是通過反射太陽光來顯示它的顏色的，所以從這個意義上來講，我們看到的顏色都是來自於陽光的。

如果要去度量一下太陽到底有多高的溫度，這對於地球上的人來說似乎是一個不可能完成的任務，因為太陽離我們太遙遠了，它的溫度太高了，可能永遠沒辦法去做到這一點，但事實上並不是如此，通過接受太陽的輻射可以得到太陽的整體的連續輻射譜線，這個連續輻射譜線就反映出太陽的波長，波長是以微米作為單位的，1微米就是1米的百萬分之一，大約相當於一根頭髮絲的1/60左右，太陽的輻射其實是在全波段都有的，除了我們常見的可見光之外，它在紅外、紫外等波段的都有輻射的，這個輻射的形狀就提供了一個溫度的信息。

思想實驗：

設想有一種稱為「黑體」的物體。黑體有這樣一個特點，就是它只接收輻射，但是它並不反射，所以說如果做這樣的一個特殊裝置，在一個小球上開一個孔，從孔外面進來的光線只能在它內部進行反射，但是它幾乎沒有任何的機會從小球裡面逃逸出去，所以可以認為這個球就是一個「黑體」。

當它接受了輻射之後它的溫度就會上升，它自身會產生輻射，這個輻射它的強度和它的溫度兩者之間有非常密切的關係，通常來講溫度越高，它的輻射圖譜線就越往比較短的波段方向去延展，所以這就提供了一種去測量天體溫度的辦法，這個辦法就是用具有不同溫度的黑體的連續譜和天體的連續譜進行相互的比對，由此可以測定天體的溫度，比如我們的太陽就可以利用這種辦法去測定出它的溫度大約在5700K左右。

著名的獵戶星座有兩顆非常明亮的星星，它們一顆是「參宿四」，一顆是「參宿七」，仔細觀察它們的話，在望遠鏡裡面它們顏色是不一樣的，「參宿四」的顏色是偏向紅色的，而「參宿七」是偏向白色的，顏色的不同實際上就反映了它們連續譜所對應的最強的波段是不一樣的，所以說顏色其實也是反映溫度的一種度量方法。

對於恆星這種巨大天體的性質研究，其實是從最微小的粒子來入手的

上面所述的是連續譜，但是你會發現其實除了連續譜之外，還有非常多的細節，其中最明顯的就是「吸收線」，也就是在連續譜上的那些凹陷，吸收線可以提供關於恆星更加豐富的、更加細緻的信息，為了去了解吸收線的來源有必要去進入到微觀的世界看看它們產生的過程，而所以說對於恆星這種巨大天體的性質研究，其實是從最微小的粒子來入手的，這就是所謂的「見微知著」。

原子的結構

「原子」這個概念是古希臘的哲學家特別是以「德謨克利特」為代表所提出來的，他們認為原子是我們世界裡面的最少的單元，是不可分割的，但是今天我們知道其實原子還繼續可以分割成更小的粒子，比如說「質子」和「中子」。原子是特別微小的，把原子放大後可以看到它的核心是「原子核」，「原子核」的大小跟一個「原核」的大小相差有10萬倍，所以說如果沒有原子核外圍的「電子」，我們的世界幾乎就是一個真空，因此只有電子和原子核才能夠構成原子。它們之間的關係非常特別，電子在原子核周圍旋轉，但是這種旋轉的軌道並不是隨機的，它是遵循量子化規律的，它軌道的大小是特定的，如果把原子比分為一幢高樓大廈，那麼原子核只是裡面大約1毫米大小的一顆顆粒。

電子的特徵

電子的軌道是量子化的，所以可以對它進行分級，從1、2、3到更高的能級，通常來講能級越低它就越穩定，所以電子可以在一些不同能級裡面去相互躍遷，但是躍遷過程中會伴隨著能量或者說伴隨著「光」的吸收和發射的過程，電子從比較低的能級躍遷到高的能級就必須得吸收光。反過來，從高的能級躍遷到低的能級它就可以發射光，吸收和發射的「光」的能量恰好就和它的兩個能級的差在大小上面是完全相等的，所以看到的恆星的光譜裡面的吸收線，其實就是來自於能級的躍遷過程。

不同的恆星它們的吸收線是不同的，吸收線和恆星的溫度是相關聯的

這和電子更容易處於哪一個能級有關，電子的能級對應著原子的最低的能態，但是原子之間發生相互碰撞的過程，而這個過程會給對方傳遞能量，使得電子可能處於更高的能級上面，一般來講碰撞越頻繁電子的能級就越高，所以電子的能級和溫度就有了一個物理上的關聯，而這種能級它又和電子所產生的譜線產生了直接的聯繫，溫度越高時它所產生的譜線就是在高能級之間的躍遷發生的，溫度比較低時譜線更多地出現在低能級之間的相互躍遷。

恆星的吸收線的來源

恆星中心是核反應的區域，這是能量的來源，大量的光從恆星的核心區向恆星的表面發射，當它經過恆星的表層大氣的時候那些光其中有一部分就會被大氣裡面的原子所吸收，或者更準確地說被那些原子裡面的電子所吸收，電子吸收了光子之後就會發生躍遷的過程，所以看到的恆星譜線實際上來自於恆星表層大氣裡面的電子能級躍遷。

圖解：恆星光譜中吸收線的形成

由於每一個原子的結構是不一樣的，因此我們看到的不同的譜線實際上代表了不同類型的原子，所以從這個意義上來講恆星的光譜就類似於我們的指紋一樣，每個人的指紋都是獨特的，恆星的光譜也是獨特的，因為它裡面所包含的各種元素所對應的溫度並不是完全相同的，因此可以通過譜線的不一樣來求得恆星表層大氣的溫度。

舉例說明：

比較太陽和「織女星」的光譜，它們的吸收線位置和強度並不是完全一樣的，每一根吸收線都來自於一個特定的能級躍遷都反映了一個特定的溫度，所以根據這個特點就可以確定「織女星」的溫度和我們太陽的溫度。

「恆星光譜」可以提供關於恆星非常多的有用信息

測量恆星的表面溫度需要對大量的恆星光譜進行甄別，這個工作在上個世紀初就已經開始了，當時在哈佛大學有個叫「皮克林」的天文學家僱傭了一批婦女來幫他進行恆星光譜的判別，其中有兩個代表性的人物在這裡面做出了非常重大的貢獻：

貢獻一：「恆星光譜型」

「坎農」幾乎是一個聾子，但是她對於恆星光譜鑑別有非常敏銳的判別力，她一生做了大約35萬顆恆星的光譜並且得到了它們的溫度，在這個基礎上面坎農提出了一種對於恆星進行分類的辦法，以前人們對於恆星分類只是從光譜本身進行表象的分類，但是坎農發現可以通過溫度的分類提供一種更加科學有效的恆星光譜類型：「O、B、A、F、G、K、M」這幾個字母所代表的稱為「恆星光譜型」,恆星光譜型實際上對應了恆星的不同溫度。

貢獻二：「恆星化學丰度」

恆星的化學丰度，第1個完成這個工作的人叫做「佩恩」，佩恩在研究恆星光譜的時候發現那些譜線不僅僅依賴於恆星的溫度，它們還和恆星裡面元素含量的多少有關係，所以從這個基本的條件出發佩恩就通過測量不同類型的恆星的光譜，佩恩不僅得到了它們的溫度，更重要的是她得到了它裡面所包含的元素含量，稱為「元素的丰度」。佩恩發現在恆星裡面含量最多的元素是「氫」，大約佔了70%左右，其次是「氦」元素，還有很少量的比氦更重的元素，這種元素往往被稱為「金屬元素」或者「重元素」。

以上兩點是從恆星光譜得到的兩個最重要的信息。

恆星光譜透露恆星的質量

恆星光譜可以得到關於恆星的質量，它也跟恆星光譜是很有關係的，這就是我們日常生活裡面經常遇見的「多普勒效應」，當一臺鳴笛的警車向著我們駛來的時候，笛聲的頻率會升高，如果警車背離我們行駛的時候，它的頻率會下降，這就是所謂的「多普勒效應」實際上反映了聲波的波長或者頻率的變化是怎麼樣隨著它的運動而發生變化的。完全類似的現象也發生在恆星上，如果一顆恆星向著我們運動，那麼它所發出來的光譜就會向短波方向偏移，反之背離我們的就會向長波方向偏移。

假如有一顆恆星處於一個雙星系統裡，它們在發生相互的繞轉，所以每一顆恆星都會週期性地向著我們和背離我們運動，這種運動產生的後果就是它們的光譜會發生週期性的「紅移」和「藍移」現象，所以恆星的光譜不僅僅可以提供它的溫度和元素的丰度，它還反映了恆星的運動狀態，可以根據位移的大小確定恆星運動的速度，再用速度就可以得到恆星的質量，實際上對於絕大部分恆星測量的測定，都是利用這種辦法來得到的。