是它帮人类发现了宇宙大爆炸

三棱镜是一些光谱仪中最重要的部件。他们能把光分解成光谱。

太阳的光谱照片。太阳光谱是连续的，有数百条暗线嵌入其中。

王善勤

最近，俄罗斯航天集团在拜科努尔发射场用一枚“质子-M”运载火箭将俄罗斯和德国联合制造的“光谱-RG”空间望远镜发射到预定轨道。Spectrum -RG是一台X射线望远镜，计划在未来7年左右扫描宇宙，并在活动星系核内发现大量星系团和超大质量黑洞。在众多的望远镜中，没有多少是以“光谱”这个词命名的，那么什么是光谱呢？我们为什么要观察天体的光谱？

不同光子按波长排列的游戏

从地球上的烟火到太空中的星星，许多物体都能发光。除了可见光之外，这些物体经常发出我们肉眼看不到的“光”，如伽马射线、x射线、紫外线、红外线和无线电波——即天文学中的无线电波。各种光都是电磁波的一种。

光既有粒子的特性，又有由光子组成的波的特性。同一物体可以发射不同波长的光子，不同能量和数量的光子有不同的亮度。如果我们用仪器根据光束的波长来分解光束，我们就可以得到每个波长的光的亮度，这就是光谱。在此基础上绘制的地图是一个声谱图。将物体发出的光分解成光谱的仪器是分光计，也称为分光计。

自然界中的水汽和简单的玻璃棱镜分别是自然的和原始的光谱仪。它们能把白色的阳光分解成7种颜色，这是阳光中可见光的光谱。专业光谱仪使用精细制作的三棱镜或光栅，将每种颜色分解成更细的波长范围，并测量每个波长范围内的光亮度，从而获得精确的光谱。由此，人们可以获得大量的重要细节。

理解天体化学组成的探索

天文学家研究光谱的第一个功能是确定天体的化学成分。以太阳为例，天文学家早就发现太阳光谱是连续的，但其中有数百条黑线。深入的研究揭示了这些黑线的物理本质:太阳大气层下的各种元素发出不同波长的光。当这些光穿过太阳大气层时，一些波长的光被太阳大气层中与它们相同的一些元素吸收，因此它们比其他波长的光暗得多，从而形成吸收线或暗线。

每一种元素都发出相应波长的光，就像人的指纹一样。如果在太阳光谱中对应于黑线的波长被发现等于在地球实验室中测量到的氢所发出的光的某些波长，则可以确定氢存在于太阳中。根据这一原理，天文学家已经确定了太阳大气中的数百种元素及其含量。上述原理不仅可以用来确定太阳中的元素和含量，还可以应用于其他恒星、星系、行星、自然卫星、分子云和各种天体喷发。只要我们能获得这些天体或天体系统的光谱，我们就能根据它们光谱中吸收线的波长来判断它们包含哪些元素以及每种元素的含量，这与太阳光谱中的黑线相似。天体光谱就像天体的指纹。

谱线的红移揭示了宇宙的奥秘。

分析天体光谱不仅可以获得天体的化学成分信息，还可以确定天体的运动速度。光波和声波一样，遵循“多普勒效应”:当波源接近观察者时，波被压缩，即“蓝移”；当波源远离观察者时，波被拉长，这称为“红移”。根据压缩和伸长的程度，可以定量计算出波源接近或离开的速度。

根据这一原理，天文学家将测得的光谱与实验室中元素发光的光谱进行比较，以获得红移或蓝移值，然后计算恒星和星系相对于地球的运动速度。尤其重要的是，天文学家发现大多数星系都远离地球。结合这些星系的距离，天文学家推断星系的后退速度与距离成正比，这意味着宇宙正在膨胀。那时，宇宙起源于一个非常小的点。它在100多亿年前爆炸，然后开始膨胀。这些令人震惊的结论都是基于光谱分析的。

此外，如果一颗恒星被行星围绕，行星的引力会使恒星椭圆运动，地球上的观测者可能会探测到由恒星运动引起的红移和蓝移的交替出现，从而判断恒星周围有行星。利用这种方法，天文学家发现了数百颗太阳系外行星，即系外行星。

在人造卫星发射到天空之前，天文学家只能探测可见光、近红外辐射和一些天体发射的无线电波的光谱，而这些光谱是无法精确测量的。然而，星系团和星系中的大量热气体以及一些高能爆炸天体现象会发出大量的X射线和γ射线辐射。一些低温天体主要发射红外线，这是传统望远镜和射电望远镜无法观测到的，相应波段的光谱也无法分解。

卫星发射后，天文学家在卫星上安装了x光和伽马射线探测器，甚至直接将紫外和红外望远镜发射到太空。最后，它们可以精确测量天体发射的中/远红外、紫外、X射线和伽马射线，并获得它们的光谱，从而实现“全波段天文学”的宏伟目标。“光谱RG”就是其中之一。