光谱：是它帮人类发现了宇宙大爆炸

天文词典

王善钦

近日，俄罗斯航天集团在拜科努尔发射场用“质子-M”运载火箭将俄罗斯与德国合作制造的“光谱-RG”太空望远镜送入预定轨道。“光谱-RG”是一个X射线望远镜，计划将在未来大约7年时间内扫描宇宙并发现大量星系团和位于活动星系核内部的超大质量黑洞。在众多望远镜中，以“光谱”二字命名的并不多，那么什么是光谱？为什么要观测天体的光谱？

不同光子按波长排列的游戏

从地球上的焰火到太空中的星星，很多物体都能发光。这些物体除了发出我们可见的光之外，还常常会发出我们肉眼看不到的“光”，比如伽马射线、X射线、紫外线、红外线与无线电波——即天文学中所说的射电波。所有种类的光，都是电磁波中的一种。

光同时具有粒子与波的特性，它们都由光子构成。同一个物体可以发出具有各种波长的光子，不同能量与个数的光子具有不同亮度。如果我们用一种仪器将一束光按照波长分解，就可以得到各个波长上光的亮度，这就是光谱。据此画出的图就是光谱图。将物体发出的光分解为光谱的仪器就是光谱仪，也被称为分光仪。

大自然中的水汽和简单制作的玻璃三棱镜分别是天然与原始的光谱仪，它们可以将白色的阳光分解为7种颜色，这就是阳光中的可见光的光谱。专业的光谱仪使用的是精细制作的三棱镜或者光栅，会将每个颜色分解到更精细的波长范围，并测出每个波长范围内的光的亮度，从而获得精确的光谱。从中，人们可以获得大量重要的细节信息。

了解天体化学组成的探针

天文学家研究光谱的第一个作用是确定天体的化学组成。以太阳为例，天文学家很早就发现，太阳光谱是连续谱，但中间嵌着数百条黑线。深入的研究揭示出这些黑线的物理本质：太阳大气层下方的各类元素发出各种波长的光，这些光穿过太阳大气时，一些波长的光被太阳大气中一些与其相同的元素吸收，因此比其他波段上的光暗得多，从而形成吸收线，即暗线。

每一种元素发出的光都有对应的波长，就如同人的指纹一样。如果发现太阳光谱中的黑线对应的波长与地球实验室里测出的氢发出的光的某几种波长相等，就可以判定太阳上有氢元素。根据这个原理，天文学家确认出太阳大气中的上百种元素及其含量。上述原理不仅可以用于确定太阳中的元素与含量，还可以应用于其他恒星、星系、行星、天然卫星、分子云以及各种各样的天体爆发事件。只要我们能够获得这些天体或者天体系统的光谱，就可以根据它们的光谱中的吸收线——类似于太阳光谱中的黑线——的波长，判断出它们含有哪些元素以及每种元素的含量。天体光谱就如同天体的指纹。

谱线红移揭示宇宙奥秘

对天体光谱进行分析，不仅可以得到天体的化学组成信息，还可以判断出天体的运动速度。光波和声波一样，遵循“多普勒效应”：波源与观测者接近时，波被压短，也就是“蓝移”；波源与观测者远离时，波被拉长，也就是“红移”。根据压缩与拉长的程度，可以定量计算出波源靠近或者远离的速度。

根据这个原理，天文学家将测出的光谱与实验室里元素发光的光谱比较，得到其红移或者蓝移的数值，进而计算出恒星与星系相对地球的运动速度。尤其重要的是，天文学家发现大多数星系在远离地球，结合这些星系的距离，天文学家推断星系的退行速度与距离成正比，这意味着宇宙在膨胀。倒退回去，宇宙起源于一个极小的点。它在100多亿年前发生了大爆炸，然后开始膨胀。这些惊世骇俗的结论都是在光谱分析的基础上得到的。

此外，如果一个恒星周围有行星环绕，行星的引力将使恒星做椭圆运动，地球上的观测者就可能探测到恒星运动导致的光谱红移与蓝移交替出现，从而判断出这颗恒星周围有行星。利用这个方法，天文学家发现了几百颗太阳系外的行星，即系外行星。

在人造卫星上天之前，天文学家只能探测到天体发出的可见光、近红外辐射与部分射电波的光谱，无法精确测量。而星系团与星系内的大量炽热气体以及一些高能爆炸天体现象都会发射出大量X射线与伽马射线辐射，一些低温天体发出的光以红外线为主，这些都无法用传统的望远镜与射电望远镜观测，也就无法分解出对应波段的光谱。

人造卫星上天之后，天文学家在人造卫星上放置X射线与伽马射线探测器，甚至直接发射紫外线望远镜与红外线望远镜到太空，终于可以精确测量天体发出的中/远红外线、紫外线、X射线与伽马射线并得到它们的光谱，从而实现了“全波段天文学”的宏大目标。“光谱-RG”便是其中一员。