我们如何知道太空中的化学物质?

据国外媒体报道,2020年9月,太阳系中的另一颗行星抢走了火星的风头,吸引了科学界和主流媒体的关注。原因在于,一国际研究小组在一篇论文中写道:“金星的大气中发现了磷化氢气体。”这篇论文发布于在线期刊《自然·天文学》上。由于厌氧生态系统可产生磷化氢,这篇论文的发现让人们不由地开始猜测和讨论金星上存在生命的可能性。

但是,除了关于磷化氢是否能暗示有外星生命存在的争论之外,这篇论文还带来了一些其他的基本问题。比如,科学家是如何从地球上了解到金星大气中的化学物质的?

幸运的是,天体发出的光进入我们的望远镜之后,不仅可以创造出精彩的图像,也携带了这些天体的构成信息。帮助我们了解天体构成信息的研究,叫做天体光谱学。

早期天文学

早在有历史记载之前,人类就已经对宇宙充满好奇。早期的人类和他们的洞穴绘画让我们对他们的天文兴趣略知一二。人们时常望着天空深思,记下各种天文观测,比如用数学预测日月食,用肉眼识别星座等。简而言之,天上的星星总是令我们着迷。

在十七世纪,当伽利略用他的小望远镜(早期望远镜)做天文学研究之前,人们只能用肉眼观察天空。虽然荷兰眼镜匠汉斯·李普希发明了折射望远镜,但伽利略才是第一个使用望远镜观测天文的人。突然之间,他可以看到月球上的陨石坑、太阳上的黑点、土星环、木星卫星等等。伽利略所不知道的是,未来,人类将可以在地球上,足不出户,分析宇宙中的化学物质。

1814年,慕尼黑的玻璃匠约瑟夫·夫琅和费发明了分光仪,即一种装有经纬仪(精密光学仪器)的望远镜。他因此成为第一位研究来自不同天体(如月球、太阳、其他行星,以及恒星等)光谱的天体光谱学家。

然而,最早将光谱线和天体的化学性质联系在一起的人则是罗伯特·基尔霍夫和罗伯特·本森。这两人是现代光谱分析学或光谱学的奠基人。他们不仅确定了光谱的预测性质,还使用他们的技术发现了两种新元素—— 铷和铯。

时间快进到今天。如今,我们可以将望远镜和光谱仪的功能相结合,来分析天体的化学成分。哪怕是银河系之外的天体,我们也可以分析它们的化学组成。

在我们深入了解光谱学之前,我们不妨先快速温习一下的光的属性。光是一种以波的形式传播的能力。它是电磁辐射(电磁波)的一种形式,范围包括无线电波到伽马射线。而我们的肉眼只能看见其中一部分(很小的可见光范围)。根据波长或频率的不同,这些辐射的类型也不同。

电磁波频谱

现在,让我们来开始聊聊光谱和光谱学。

什么是频谱?

频谱是光(电磁波)与其他物质相互作用时而产生的图案。比如,太阳光与雨滴相互作用时,我们可以看到彩虹。频谱是独特的,并且取决于电磁波的类型以及与之相互作用的物质属性。如果我们知道光谱和光类型的信息,我们可以轻松推断出与上述光相互作用的物质类型。这就是光谱学的作用:允许我们分析光谱,并回溯以确定光谱源。

什么创造了光谱?

虽然肉眼看不见,但整个世界在原子层面上都有自己的运动节奏。我们所知的一切皆由原子组成。原子中的电子不断地像波浪一样振动(成为量子物体)。但光撞击这些电子时,它们会以独特的方式进行相互作用。

未扰动原子中的电子处于基态。当外部能量以光(或热)的形式撞击它们时,电子会吸收能量跃迁到激发态。然而,电子并不喜欢激发态,总是想要回到基态;因此,它们会释放先前吸收的能量。这一吸收和释放能量的过程,造就了频谱。

什么是光谱学?

在跃迁至激发态和返回基态过程中吸收和释放的能量与物质的分子组成息息相关。例如,钠原子电子吸收的光频率和碳原子电子吸收的光频率完全不同。同样地,氧释放的光与磷化氢释放的光也完全不同。

钠的可见光发射光谱

碳的可见光发射光谱

离散频率的光吸收或光释放造就了化学图谱或图案,而对这些光图案的研究也被正式命名为光谱学。

接下来就是天体光谱学。天体发出的光遇上望远镜,并通过一个小小的开口进入到望远镜上的光谱仪。光谱仪的内部是准直镜(将所有进入光谱仪的光转化为平行光线的抛物面镜)。平行光线继续来到带有衍射光栅的镜子(玻璃表面带有细微划痕的镜子)。

光栅就像一个喜欢根据颜色区分M&M’s巧克力豆的人。光栅可以分离出光的不同成分,并根据其波长为它们分配单独的通道,最后在另一个镜面上形成频谱。接着,一个电子耦合组件(光敏表面)检测到镜面上形成的频谱,然后将其转换为数字频谱。

然后,我们再将该数字频谱与人类已知的不同化学物质的光谱数据进行比较。该分析有助于科学家确定,发射这种光的天体的化学性质。

除了提供宇宙中物体的化学组成信息之外,光谱数据还能告诉我们这些物体的类型、周围环境和其它们表现出的运动类型。

如果光直接来自某一个热源,如恒星、行星或星云,我们会看到一个连续频谱。大多数行星和恒星周围聚集着云气,这些气体通常比光源的温度更低。但是这些气体会吸收光源辐射出的部分光频率,因此当辐射出的光经过云气再被我们的望远镜接收到之后,被吸收的频率在生成的频谱上将显得更暗。这类光谱被称为吸收光谱或暗线光谱。

另一方面,如果我们观察的是周围气体而非光源时,我们会看到那些被吸收的频率在生产的频谱上变成了明亮的谱线。这类光谱则被称为发射光谱或明线光谱。

光谱类型

我们都听曾说,宇宙正在不断膨胀。这意味着有些物体正在远离我们,而另一些物体则在靠近我们。这种运动可以通过频谱中的偏移来确认。例如,科学家已经掌握,对于被认为相对于地球静止的恒星,它们发出的氢原子的发射光谱线形状。然后,我们可以拿这份频谱去跟其他天体的氢原子发射光谱进行比较。

如果该天体正在远离我们,那么它的氢原子光谱线将呈现出向频谱上深红色区域(或波长更长的区域)移动的趋势。这被称为红移。如果该天体正在靠近我们,那么它的谱线则会向频谱深蓝色区域(或波长更短的区域)移动。不用多想,这被称为蓝移。波长的可观测偏移被称为多普勒频移。

多普勒频移

光谱线就像不断送出的礼物。除了上述讨论的内容之外,光谱线还可以向我们透露,不同天体的密度、温度和磁场等信息。

结论

哈勃望远镜拍摄到的仙女座星系清晰图像

人类一直对夜空充满好奇。曾经,我们用肉眼凝视夜空中闪烁的星星;到如今,我们可以借助哈勃望远镜拍摄到距离我们250万光年的仙女座星系图像。每一天,我们的目光都投向更深远的太空,试图去了解宇宙的组成,探索地球之外的奥秘。诚如卡尔·萨根所言:“在某处,某些不可思议的事物正等待我们去了解。”

来源:新浪科技

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