我们是如何知道太空中物质的化学性质的?

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。

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