我們是怎么通過光譜對星星“查戶口”的?

宋軼晗

首先，現代望遠鏡都是通過電子元件（CMOS、CCD等）把光轉換成數字信號，這樣做的好處是可以探測更暗的天體。左側是我們肉眼看到的天空，右側則是望遠鏡看到的天空。4米的光譜望遠鏡可以觀測到比人眼看到最暗的星還要暗40萬倍的星（人眼最暗可以看到6等星，望遠鏡19等星）。見圖1。

得到了星光之后，我們就需要對光進行色散。就如同雨后的彩虹把陽光散成各種顏色一樣，我們能夠得到星光在不同波長處的流量。我們生活中的每一種顏色都對應著特定的波長，比如紅色光的波長為625-740納米、綠色光的波長為500-565納米、藍色光的波長為485-500納米。經過這波操作之后，我們看到的一閃一閃的星光就變成了下面這個樣子。見圖2。

我們將其稱之為光譜。是不是有點股票走勢圖的感覺？科學家們通過分析發(fā)現，恒星光譜中最高的地方的波長與這顆恒星的溫度非常相關，最高點越偏向藍端，恒星越熱。相反，最高點越偏向紅端，恒星的溫度也就越低。我們的太陽溫度大約為5778K（K代表溫度單位開爾文）。圖2是太陽與高溫星和低溫星的光譜。

我們發(fā)現光譜不僅能告訴我們星星的溫度，還可以告訴我們更多的信息。每個恒星的光都是它的內核通過核聚變產生出來的，光在向外輻射過程中，會經過厚厚的、沒有參與聚變反應的恒星大氣，大氣中的原子、分子會選擇它們喜歡的特定波長的光吸收掉，這就形成了光譜中的吸收線和吸收帶。我們不但可以根據光譜中吸收線對應的波長，判斷出是什么原子、分子吸收掉了光，還可以根據吸收線的深度和寬度來判斷恒星大氣的成分。

而利用光譜的譜線，還可以得到恒星的速度和星系的距離。那怎么利用譜線測量呢？在說明之前我們要先介紹一個知識點：多普勒效應（如圖3）。

多普勒效應是指星光的波長會隨著星星與地球間的相對速度發(fā)生改變。當星星朝我們飛行的時候，光的波長會往藍色方向移動;當星星遠離我們的時候，光的波長會朝紅色的方向移動。那么我們就可以通過測量譜線偏移了多少來計算星星的移動速度。我們把這個沿著我們視線方向移動的速度稱之為視向速度或者紅移（對于恒星我們用視向速度，對于星系我們用紅移表示）。

現在如何利用譜線測量恒星速度我們大概知道了，那么怎么測量星系的距離呢？因為我們的宇宙在膨脹.越遠的天體會越快速地遠離我們，我們就可以通過不同天體遠離我們的速度差來估算它們之間的距離了。而這個速度，就是我們上面提到的紅移。其實，通過光譜我們還可以了解星星更多的信息。每當我們對宇宙有了新的發(fā)現的同時，更多的未知就會擺在我們面前。讓我們一起努力吧！