近日，俄羅斯航天集團(tuán)在拜科努爾發(fā)射場用“質(zhì)子-M”運載火箭將俄羅斯與德國合作制造的“光譜-RG”太空望遠(yuǎn)鏡送入預(yù)定軌道。“光譜-RG”是一個X射線望遠(yuǎn)鏡，計劃將在未來大約7年時間內(nèi)掃描宇宙并發(fā)現(xiàn)大量星系團(tuán)和位于活動星系核內(nèi)部的超大質(zhì)量黑洞。在眾多望遠(yuǎn)鏡中，以“光譜”二字命名的并不多，那么什么是光譜?為什么要觀測天體的光譜?
不同光子按波長排列的游戲
從地球上的焰火到太空中的星星，很多物體都能發(fā)光。這些物體除了發(fā)出我們可見的光之外，還常常會發(fā)出我們?nèi)庋劭床坏降?ldquo;光”，比如伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線與無線電波——即天文學(xué)中所說的射電波。所有種類的光，都是電磁波中的一種。
光同時具有粒子與波的特性，它們都由光子構(gòu)成。同一個物體可以發(fā)出具有各種波長的光子，不同能量與個數(shù)的光子具有不同亮度。如果我們用一種儀器將一束光按照波長分解，就可以得到各個波長上光的亮度，這就是光譜。據(jù)此畫出的圖就是光譜圖。將物體發(fā)出的光分解為光譜的儀器就是光譜儀，也被稱為分光儀。
大自然中的水汽和簡單制作的玻璃三棱鏡分別是天然與原始的光譜儀，它們可以將白色的陽光分解為7種顏色，這就是陽光中的可見光的光譜。專業(yè)的光譜儀使用的是精細(xì)制作的三棱鏡或者光柵，會將每個顏色分解到更精細(xì)的波長范圍，并測出每個波長范圍內(nèi)的光的亮度，從而獲得精確的光譜。從中，人們可以獲得大量重要的細(xì)節(jié)信息。
了解天體化學(xué)組成的探針
天文學(xué)家研究光譜的第一個作用是確定天體的化學(xué)組成。以太陽為例，天文學(xué)家很早就發(fā)現(xiàn)，太陽光譜是連續(xù)譜，但中間嵌著數(shù)百條黑線。深入的研究揭示出這些黑線的物理本質(zhì)：太陽大氣層下方的各類元素發(fā)出各種波長的光，這些光穿過太陽大氣時，一些波長的光被太陽大氣中一些與其相同的元素吸收，因此比其他波段上的光暗得多，從而形成吸收線，即暗線。
每一種元素發(fā)出的光都有對應(yīng)的波長，就如同人的指紋一樣。如果發(fā)現(xiàn)太陽光譜中的黑線對應(yīng)的波長與地球?qū)嶒炇依餃y出的氫發(fā)出的光的某幾種波長相等，就可以判定太陽上有氫元素。根據(jù)這個原理，天文學(xué)家確認(rèn)出太陽大氣中的上百種元素及其含量。上述原理不僅可以用于確定太陽中的元素與含量，還可以應(yīng)用于其他恒星、星系、行星、天然衛(wèi)星、分子云以及各種各樣的天體爆發(fā)事件。只要我們能夠獲得這些天體或者天體系統(tǒng)的光譜，就可以根據(jù)它們的光譜中的吸收線——類似于太陽光譜中的黑線——的波長，判斷出它們含有哪些元素以及每種元素的含量。天體光譜就如同天體的指紋。
譜線紅移揭示宇宙奧秘
對天體光譜進(jìn)行分析，不僅可以得到天體的化學(xué)組成信息，還可以判斷出天體的運動速度。光波和聲波一樣，遵循“多普勒效應(yīng)”：波源與觀測者接近時，波被壓短，也就是“藍(lán)移”;波源與觀測者遠(yuǎn)離時，波被拉長，也就是“紅移”。根據(jù)壓縮與拉長的程度，可以定量計算出波源靠近或者遠(yuǎn)離的速度。
根據(jù)這個原理，天文學(xué)家將測出的光譜與實驗室里元素發(fā)光的光譜比較，得到其紅移或者藍(lán)移的數(shù)值，進(jìn)而計算出恒星與星系相對地球的運動速度。尤其重要的是，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系在遠(yuǎn)離地球，結(jié)合這些星系的距離，天文學(xué)家推斷星系的退行速度與距離成正比，這意味著宇宙在膨脹。倒退回去，宇宙起源于一個極小的點。它在100多億年前發(fā)生了大爆炸，然后開始膨脹。這些驚世駭俗的結(jié)論都是在光譜分析的基礎(chǔ)上得到的。
此外，如果一個恒星周圍有行星環(huán)繞，行星的引力將使恒星做橢圓運動，地球上的觀測者就可能探測到恒星運動導(dǎo)致的光譜紅移與藍(lán)移交替出現(xiàn)，從而判斷出這顆恒星周圍有行星。利用這個方法，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了幾百顆太陽系外的行星，即系外行星。
在人造衛(wèi)星上天之前，天文學(xué)家只能探測到天體發(fā)出的可見光、近紅外輻射與部分射電波的光譜，無法精確測量。而星系團(tuán)與星系內(nèi)的大量熾熱氣體以及一些高能爆炸天體現(xiàn)象都會發(fā)射出大量X射線與伽馬射線輻射，一些低溫天體發(fā)出的光以紅外線為主，這些都無法用傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡與射電望遠(yuǎn)鏡觀測，也就無法分解出對應(yīng)波段的光譜。
人造衛(wèi)星上天之后，天文學(xué)家在人造衛(wèi)星上放置X射線與伽馬射線探測器，甚至直接發(fā)射紫外線望遠(yuǎn)鏡與紅外線望遠(yuǎn)鏡到太空，終于可以精確測量天體發(fā)出的中/遠(yuǎn)紅外線、紫外線、X射線與伽馬射線并得到它們的光譜，從而實現(xiàn)了“全波段天文學(xué)”的宏大目標(biāo)。“光譜-RG”便是其中一員。
