解密!來自宇宙的天書

但愿人長久9 2019-03-24

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'光'可以說是這個世界最迷人的話題之一，從人類文明誕生起就開始了光的討論。在公元前六世紀到五世紀，古印度哲學中的一個學派認為光是組成世界萬物的五微塵，另一個學派認為光是高速流動的火原子。在公元前300年，古希臘數(shù)學家、幾何學之父歐幾里得就著有《光學》，他嘗試用數(shù)學來研究光的性質(zhì)，并取得了一些成果。公元前55年，羅馬的盧克萊修就意識到光可能是一種微粒。

17世紀，法國著名學者笛卡爾認為光是一種波，它需要在介質(zhì)中傳播。后來牛頓繼承了這一觀點，并在《光學》一書中將這種觀點發(fā)揚光大。在這之前的四十年，胡克就發(fā)表了光的波動學說。胡克和牛頓的矛盾可能就源于這個學術(shù)觀點的沖突，以至于發(fā)展成一生的敵人。牛頓說了一句話：'我之所以看得遠，是因為我站在巨人的肩上。'這是在嘲笑胡克是一個矮子。光的粒子性和波動性在隨后的兩百年一直都爭執(zhí)不休，各有各的道理，誰也說服不了誰。

直到20世紀初，光的波粒二象性才被科學家正確的認識。有了對光的正確認識后，天文學也有了重大的進步，天文學家可以通過分析光（電磁波）就可以了解發(fā)生在遙遠宇宙中的幾乎一切事情。接下來我們看一下天文學家都能從光譜里了解到一些什么信息。

圖：電磁波光譜，可見光只占一小段，天文學家分析的光譜指的是整個電磁波波普

在1814年，德國眼鏡商人約瑟夫.馮.弗勞恩霍夫發(fā)明了光譜儀，這個儀器可以將光分解成及其精細的結(jié)構(gòu)。他發(fā)現(xiàn)這些色帶中有一些暗線，這些暗線在光譜中出現(xiàn)的位置和發(fā)光的材料不同而不同，就如同材料的指紋一樣。接下來人們對大部分元素進行了光譜分析，發(fā)現(xiàn)每種元素都有獨特的光譜。

圖：氫元素的發(fā)射光譜

天文學家用這種光譜儀來分析陽光，這才發(fā)現(xiàn)原來太陽也是由地球上常見的元素構(gòu)成的?。⊥瑯?，用光譜分析遠處的恒星，發(fā)現(xiàn)這些恒星和太陽的區(qū)別不大，不是以往認為的'黑球上的空洞'。

天文學家還可以根據(jù)維恩位移定律得知恒星表面的溫度。即：溫度與輻射的峰值波長成反比。波長越長，溫度越低。紅光波長長，溫度低；藍光波長短，溫度高。

圖：溫度從低到高

但對太過遙遠的恒星利用維恩定理來確定溫度是困難的，后來，科學家發(fā)現(xiàn)不同溫度范圍時對譜線的吸收是不同的，這樣就可以通過分析光譜就知道了遙遠恒星的溫度。知道了恒星的溫度和譜線的寬度就能知道它的氣壓。

天文學家根據(jù)恒星光譜的不同，將它們進行了分類。并畫在了赫羅圖上，通過赫羅圖我們可以知道恒星的演化階段，知道它的過去和未來。

圖：赫羅圖

恒星的溫度還可以告訴我們恒星單位面積釋放了多少光。通過測量恒星的距離和視亮度，就可以計算出它的總共發(fā)出了多少光，這就可以計算出它表面積的大小，從而得到它的大小。

由于光具有波動性，所以它也有多普勒效應(yīng)。就像一列火車迎面而來時汽笛聲會顯得尖銳，離去時聲音會顯得低沉。這是因為聲波的波長會被聲源的運動所壓縮或拉長。光波同樣具有這樣的性質(zhì)。通過對銀河系外恒星光譜和太陽光譜的對比發(fā)現(xiàn)，它們大多數(shù)的光譜向波長長的紅色一端移動了，即：'紅移'。

圖：光的多普勒效應(yīng)

圖：遙遠恒星（左）與太陽光譜（右）的對比，這些吸收譜線向著紅色一端移動了

通過紅移天文學家知道了大多數(shù)系外星系都在遠離我們，這說明宇宙不是人們一直認為的靜態(tài)，而是在膨脹。對這個結(jié)論進行反演，不難得到宇宙起源于一次大爆炸。

由于很多恒星都有伴星，像太陽這樣的'獨生子'是不多見的。恒星和伴星在萬有引力作用下相互繞行，這種運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使得光譜有規(guī)律的變化，分析這種變化就能得出它們運轉(zhuǎn)的速度。我們還可以測量恒星間的距離，得到軌道參數(shù)。通過萬有引力定律就能計算出恒星的質(zhì)量。

由于行星圍繞著恒星運行時會有規(guī)律的遮擋恒星發(fā)出的光，通過這點就能知道這顆恒星有無行星以及行星體積和質(zhì)量的大小。在2001年，天文學家甚至通過分析系外行星通過恒星時對恒星光譜的吸收，分析出了系外行星大氣層的元素構(gòu)成。

測量光譜線分裂的近鄰分支線的數(shù)量就能計算出恒星表面磁場強度。

光譜就像一本寫著宇宙秘密的天書一樣，等待著科學家去讀解。這也是科學家總想著從政府預(yù)算中掏出數(shù)以十億美元計的資金去發(fā)射太空望遠鏡的原因。

圖：哈勃太空望遠鏡，遠處恒星的光穿過了星系空間中的氣體團，被吸收掉了特定的光譜，通過分析光譜就能知道這些難以被觀測的氣體團的成分和距離

一個哈勃太空望遠鏡的發(fā)射和維修就花費了約85億美金，但物有所值?。⊥ㄟ^觀察來自宇宙的光譜，科學家們測量出了更精確的造父變星的距離，得到了更加準確的哈勃常數(shù)范圍，從而計算出更加正確的宇宙年齡與膨脹速度；確認了星系核心中存在著超大質(zhì)量黑洞的理論；拍攝到了蘇梅克-列維9號彗星撞擊木星的照片；拍攝了哈勃深空等等。