我们是如何知道太空中物质的化学性质的?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
天文光谱学涉及到将天体发出的光转换成数字光谱,然后将数字光谱与人类已知的不同化学物质的光谱数据进行比较,这一分析有助于科学家们确定发射这种光的天体的化学性质。

天文光谱学涉及到将天体发出的光转换成数字光谱,然后将数字光谱与人类已知的不同化学物质的光谱数据进行比较,这一分析有助于科学家们确定发射这种光的天体的化学性质。

2020年9月,太阳系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,这是在一个国际研究小组发布了一份引人注目的报告后启动的,报告宣布:“在金星的大气层中发现了磷化氢气体”,该报告发表在《自然天文学》杂志上,引发了关于地球上存在生命迹象的争论和猜测,主要是因为厌氧生态系统产生磷化氢。

然而,除了关于磷化氢是否意味着外星生命存在的争论之外,这个故事还引发了其他一些基本问题。也就是说,他们是如何从地球上了解金星的化学成分的,对我们来说幸运的是,从一个天体进入我们的望远镜的光不仅创造了伟大的图像,而且还携带了这些天体是由什么组成的信息。

帮助我们处理这些信息的工具是天文光谱学。

早期天文学

人类对宇宙的好奇心可以追溯到有记录的历史之外。早期的人类和他们的洞穴画让我们对天文学的兴趣有了一些了解,人们花了许多月亮进行天文观测,比如用数学预测日食,用肉眼识别星座,很简单,星星总是让我们着迷。

在17世纪伽利略开始使用他的间谍眼镜(早期望远镜)进行天文学之前,用我们的肉眼观察天空是唯一的选择,荷兰光学玻璃制造商汉斯·利珀沙伊发明了折射望远镜,而伽利略是第一个用于天文学的望远镜,突然间,他可以看到月球上的陨石坑、太阳上的黑点、土星的光环和木星的卫星。他知道有一天,人类将能够从我们舒适和温暖的星球的舒适分析宇宙的化学成分。

1814年,慕尼黑的配镜师约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer)想出了光谱仪,这是一台用太阳光(精密光学仪器)改装的望远镜,他成为第一个研究从不同天体(如月球、太阳、其他行星和恒星)获得的光谱的天文光谱学家,然而,第一个将光谱线与物体的化学成分联系起来的人是罗伯特·基尔乔夫和罗伯特·邦森(也以基尔科夫定律和邦森燃烧器闻名),他们是现代光谱分析或光谱学的开国元勋。他们不仅识别光谱的预测性质,而且利用他们的技术发现了两种新元素——鲁比米和镉。

快进到今天,我们结合望远镜和光谱学的力量来分析天体的化学成分,甚至超越我们的银河系。

在我们进入光谱之前,也许我们需要快速复习一下光的特性。光是一种能量形式,它像波浪一样传播。它是一种电磁辐射(EM波),范围从无线电波到伽马射线,我们只能看到中间部分(可见的小范围),这些辐射类型根据其波长或频率进行隔离。

什么是频谱?

光谱(复数光谱)是当光(EM波)与物质相互作用时产生的模式(例如,当阳光与雨滴相互作用时,我们看到彩虹),频谱是与众不同的,取决于电磁波的类型和物质与它相互作用的属性,现在,如果我们知道有关光谱和光类型的信息,我们可以很容易地推断出光与它相互作用的物质类型,这是光谱学允许我们做的——分析光谱并向后跟踪以确定是什么创造了它。

什么产生光谱?

虽然我们的肉眼并不明显,但整个世界都在原子水平上以自己的节奏跳舞,我们知道的一切都是由原子和原子组成的,电子像波一样不断振动(作为量子物体),当光击中它们时,它们以独特的方式相互作用。

在一个未激动的原子中的电子喜欢挂在它们的地面状态周围,当以光(或热)形式出现的外部能量击中它们时,它们会吸收它以达到兴奋状态。然而,他们总是倾向于回到他们的地面状态;要做到这一点,他们释放出的能量,他们吸收摆在首位,这种吸收和发射过程产生一堆光谱或光谱。

什么是光谱?

这种能量在激发和放松过程中吸收或释放,是物质分子组成所独有,例如,钠原子电子吸收的光的频率与碳吸收的频率完全不同,同样,氧气发出的光与磷芬的光完全不同。

可见的钠发射光谱(照片版权:麦祖萨茨/维基媒体共享)

可见的碳排放谱(照片版权:麦祖萨茨/维基媒体共享)

化学指纹或模式的形成是由于光在离散频率的吸收或发射,这些光模式的研究正式称为光谱学。

来自光源(天体)的光击中望远镜,并通过一个小开口进入附着在望远镜上的光谱仪,光谱仪内部是一个准直镜(一个抛物面镜,将进入仪器的所有光线转换成平行光线)。这种光线用衍射光栅击中镜子(玻璃表面的定期划痕)。

光栅的行为就像一个人谁爱分开的并购基于颜色,它分离光的不同成分,并根据光的波长分配单独的通道,最终在另一面镜子上产生光谱,然后,在镜面上形成的频谱由带电耦合器件(感光表面)检测,并转换为数字光谱。

使用光谱显微镜。(图片版权 : ESO/维基媒体共享)

然后将数字光谱与人类已知的不同化学物质的光谱数据进行比较。分析有助于科学家确定发出这种光的天体源的化学成分。光谱数据不仅提供了有关空间中物体化学成分的信息,还提供了它们的类型、环境以及它们所表现出的运动种类。

如果光是直接从热源接收的,如恒星、行星或星云,我们会看到一个连续的光谱。大多数行星或恒星被气体的大气层包围着,这些气体通常比发射光的来源凉爽。较冷的气体吸收了源辐射的一些光频率,所以当来自该光源的光通过云层到达我们时,吸收的频率在生成的光谱上显得较暗。这些类型的光谱被称为吸收或暗线光谱。

另一方面,如果我们试图观察周围的气体,而不是源,我们看到那些吸收的频率被发射回作为明亮的线在频谱中产生。这些类型的光谱被称为发射或亮线光谱。

光谱类型(照片版权 :维基共享资源)

我们都听说宇宙在不断膨胀。这意味着有些物体正在远离我们,而另一些对象正在越来越近。这个运动可以通过研究光谱中看的班次来确定。例如,科学家已经解决了氢的发射光谱线从一颗相对于地球被认为是静止的恒星上会是什么样子。然后将该光谱与其他天体的H发射光谱进行比较。

如果物体远离我们,H光谱的光谱线似乎已经转向光谱的红色区域或更长的波长区域。这称为红移。如果身体离我们越来越近,线似乎已经转向更短的波长或光谱的蓝色末端。这称为蓝色移位。波长的这种可观测的移位称为多普勒移位。

多普勒移位 (照片版权 : 阿莱·托索夫斯克什/维基媒体共享)

光谱线就像不断给予的礼物。除了上面讨论的内容外,他们还为我们提供了关于不同天体的密度、温度和磁场的信息。

结论

人类一直被夜空迷住了。我们已经从用肉眼惊奇地盯着夜空中闪烁的星星,到拥有一张15亿像素的哈勃望远镜图像,这个星系离我们还有250万光年,每一天,我们深入太空,试图了解宇宙是由什么编造的,并解开隐藏在地球外寂静的秘密,正如卡尔·萨根曾经说过的,”某处,一些不可思议的事情正等着人知道。

哈勃望远镜拍摄的仙女座星系最锐利的图像(照片信用 :Flickr)

引用

  1. 研究门
  2. 罗切斯特理工学院
  3. Eso
  4. 亚利桑那大学
  5. Nasa.gov (链接 1)
  6. Nasa.gov (链接 2)

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