转载知乎JF科技：https://zhuanlan.zhihu.com/p/656715219

（封面图片来源[1]）

可见光和光谱

天文研究工具箱里的第一神器是（可见光）光学望远镜，这个大概没有争议。尽管从 19 世纪开始，人们了解到可见光仅仅占了整个电磁波频谱里的极小一部分，0.0035%（不到十万分之四）！[2]，但是大多数现有的望远镜仍然是集中在可见光部分[3]。

但第二神器就难说了，各人有各人的理解和偏爱：射电望远镜（radio telescope），引力波探测器（gravitational wave observatory）[4]，引力波放大镜（gravitational lensing），等等。

我的愚见：能排第二，得看它的使用广泛程度。我认为光谱分析（spectroscopy[5]）够得上第二神器。百度里光谱分析的介绍[5]，本身已经很详细了，这里主要说说为啥光谱分析在天文研究领域里，应用得如此广泛。

从天文学一开始，人们就意识到了，我们能够收集到的信息太过单一，基本就是抬头看天、睁眼见光。我们被困在这个淡蓝色的小石头上，没法直接测量绝大多数天体（除了太阳系的几个天体外）的距离、质量、角动量、化学构成、温度、磁场，等等等等。直到我们歪打正着，发现并开始利用光谱分析来进行这些测量。

早在公元前3百多年，罗马帝国的人就开始认识到，可见光由不同频谱的光组合而成，用各种自然或人工磨制的棱镜，可以分解光谱[6]。到了 17 世纪，牛顿（怎么又是他，怎么到处都是他？！）仔细研究了光的反射和折射[7]，光和光谱的关系，写了著名的《光学》一书：

在书里，他详细、系统地介绍了他的各种光谱实验，为将来的光谱分析奠定了理论基础。17 世纪，还有不少其他科学家如惠更斯[8]，胡克[9]，等人也对光谱做了详细研究。

吸收线和发射线

到了 19 世纪，光谱分解的精度提高，不少科学家歪打正着，发现了光谱并不连续[10]：

这就是后来人们认识到的光谱吸收线。当全频谱的白光通过某种物质气体（如氢气）时，一定频段的光线会被这种物质气体吸收：

而同样的，这种物质气体（如氢气）燃烧发光，自身会产生发射谱线：

如果你观察仔细，应该已经发现了吸收线和发射线就像照片和底片一样的互为阴阳。

同时，19 世纪的人们观察发现，每一种元素，它们的谱线都是独一无二的，氢元素的谱线和氧元素的谱线完全不同，就像人类的指纹一样。有了这样的认识和发现后，天文学家开始广泛应用光谱分析，把这种手段玩到了极致。

应用一：化学构成分析

这个最直接：通过对恒星的光谱分析，找到它的化学构成。例如下面是法国一位天文学家 Matthieu 对太阳光进行的频谱分析[11]。首先是太阳光的光谱（从左到右，波长增加。原始照片是黑白的，彩色是后期着色上去的）：

把光谱用软件转换后，生成的波长和强度的图形：

其中每一尖锐的波谷可以让我们找出对应的元素吸收线（如 H 氢，Ca 钙，Fe 铁），从而达到分析太阳表面化学构成的目的。

应用二：表面温度

这个也很直接：通过恒星光谱分析，找到最强波长，用此波长，通过 Wien's Displacement Law（维纳位移定律[12]），直接算出恒星的表面温度。

应用三：半径

这个好像有点不靠谱，没有关系的感觉。我们先测量恒星亮度（Luminosity），再根据 Stefan–Boltzmann Law（斯特凡-波兹曼定律[13]，阐述了恒星表面能量和温度的关系），来间接计算恒星表面积，因为表面能量是亮度和表面积的乘积。有了表面积，计算半径就是中学数学了。

应用四：表面重力加速度

这个应用也比较高级。天文学家通过观察发现，恒星光谱里吸收线的宽度和其表面重力加速度有关，这一现象和关系叫做"吸收线压力拓宽"（absorption line pressure broadening）[14]，下图是 氢-7 吸收线在不同重力加速度的环境下的变宽程度：

为什么恒星表面重力会使得其光谱吸收线变宽？其原理大体上是因为更高的表面重力加速度会使得恒星大气层的压力更高，更高的压力使得大气层里元素的碰撞更频繁，产生更多扰动（perturbation），使得谱线吸收能更容易地在主吸收线附近发生，从而拓宽吸收线。

应用五：质量、密度

这不，水到渠成。有了表面重力加速度，有了半径，恒星质量、密度的推导就是高中物理了。没有前面的那些铺垫，怎么可能想到恒星光谱分析，可以用来推导恒星质量、密度，风马牛不相及啊。是不是对前人特敬仰？需要指出的是，此质量、密度推导的误差比较大，一般用来作为候补和校对。

应用六：速度

好吧，又是看似一个风马牛不相及的应用。从前面的介绍里我们知道，特定元素的发射线或吸收线都是有固定的、唯一的、和特殊的模式（pattern）。在观察一个遥远的恒星，或星系，或其他天体，如果我们发现其光谱分析里的特定元素吸收线的模式出现了，但是吸收线波长的位置出现位移，那我们就知道这个位移是来自于红移（或蓝移）[15]：

上图中绿色吸收线的模式（pattern）和红色的是一样，可以认定是同一种元素产生的吸收线。但是在实际观察中，我们只观察到了红色谱线，也就是说，谱线产生了红移。根据红移量，我们可以计算出该天体相对于我们的移动速度。

应用七：距离

越来越离谱了，光谱分析和距离有啥关系？有！看这一篇[16]：

《天文学里几个有品味格调的长度单位》

https://zhuanlan.zhihu.com/p/630539236

如果你知道了天体的红移，就等于知道了天体的距离。当然这是针对遥远天体而言（几十亿，甚至上百亿光年），因为在这些距离上，宇宙膨胀产生的红移远远超过天体本身飞行的速度，所以，我们可以用红移来指代距离。

事实上，光谱分析是用来测量遥远天体距离的最主要的一个手段。

应用八：磁场

估计大家已经麻木了，反正啥都可以用光谱分析来测量了。太对了！我们发现，光谱吸收线在磁场中会产生明显的分叉变化，我们称它为 Zeeman Effect 塞曼效应[17]：

图中：A 是没有磁场的水银吸收线；B 是在垂直磁场中；C 是在平行磁场中。吸收线的分叉的程度和磁场的强度有关。所以，我们可以借助对吸收线分叉的观测，来间接推导天体磁场的分布和强度。

应用九：角动量

对于恒星来说，它的自转会造成天体赤道一边朝向我们运动，而另一边是远离我们运动。两个相反方向的运动（即速度）会造成天体赤道两边红移量不同。根据我们光谱分析，可以探测到两边吸收线红移量的不同，由此推断出天体自转速度。再结合其他测量数据（如前面说的用光谱测天体质量，和天体半径），来计算天体的角动量[18]:

对于黑洞来说，它本身不发光，所以没法直接使用上面所述的光谱分析方法。

很多黑洞周围都有吸积盘（accretion disk），吸积盘是旋转的。我们可以通过观察和测量吸积盘的光谱分析，来发现：第一，中央黑洞是静止不转，或是和吸积盘旋转方向一致，还是和吸积盘旋转方向相反；第二，黑洞的自旋速度、角动量[19]：

在黑洞自旋两个方向或静止的三种情况下，周围吸积盘最内层的铁原子，因为高速转动，激发 X 射线。如果对此 X 射线进行光谱分析（记住，X 射线也是光，或者更准确的说法，也是电磁波的一种），我们可以发现，三种不同情况下，铁原子 X 光的光谱亮度曲线明显不一样。天文物理学家根据这些光谱数据，加上广义相对论的计算，可以推导出黑洞是静止还是转动，转动的方向，和转动的角动量。

总结

两点感想：

1. 光谱分析是万金油，在天文研究里，什么地方都可以用，而且往往是第一步就用到的一个必不可少的神器。

2. 在信息有限的情况下，聪明的科学家会把每一分、每一点的潜力，统统挖掘出来，用少得极其可怜的一点点信息，研究出一整个世界的内容！

参考

1. ^https://leverageedu.com/blog/what-is-spectroscopy/

2. ^https://www.energy.gov/nnsa/articles/visible-light-eye-opening-research-nnsa

3. ^一个不完全的统计：现有的 100 个地基大型天文望远镜，其中 64 个是可见光望远镜。 https://github.com/jf-tech/blogs/blob/master/2023-09-17-spectroscopy/incomplete-list-of-telescopes.md

4. ^引力波探测器系列 https://zhuanlan.zhihu.com/p/650059042

5. ^ab光谱学 https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E8%B0%B1%E5%AD%A6/1413016

6. ^罗马人对光、光谱、棱镜的认识和研究 https://open.oregonstate.education/physicsforteachers/chapter/historical-and-current-perspectives-on-the-nature-of-light/

7. ^牛顿著作的《光学》一书，出版于 1702 年。 https://library.si.edu/digital-library/book/optickstreatise00newta

8. ^惠根斯的《Treatise on light》 https://www.gutenberg.org/ebooks/14725

9. ^罗伯特.胡克的《Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses》 https://www.loc.gov/item/11004270/

10. ^1801 年英国科学家 William Wollaston 发现了太阳光经过棱镜散射后，光谱不连续，有暗条纹。 https://www.khanacademy.org/science/physical-chemistry-essentials/x98cdf762ed888601:structure-of-atom/x98cdf762ed888601:bohr-s-model-of-hydrogen-atom/a/absorptionemission-lines

11. ^法国天文学家 Matthieu 对太阳光线进行的频谱分析 https://stellartrip.net/soleil-analyse-spectre/?lang=en

12. ^Wien's Displacement Law 维恩位移定律，揭示恒星的温度和其光波长的关系。 https://baike.baidu.com/item/%E7%BB%B4%E6%81%A9%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E5%AE%9A%E5%BE%8B/4234590

13. ^斯特凡-波兹曼定律，揭示了恒星表面辐射热功率和其温度的 4 次方成正比。 https://baike.baidu.com/item/%E6%96%AF%E8%92%82%E8%8A%AC(Stefan)-%E7%8E%BB%E8%80%B3%E5%85%B9%E6%9B%BC(Boltzman)%E5%AE%9A%E5%BE%8B/15195183

14. ^通过吸收线来研究恒星《STELLAR ATMOSPHERES. II: THE ANALYSIS OF ABSORPTION LINES》 https://people.ast.cam.ac.uk/~pettini/Stellar%20Structure%20Evolution/Lecture06.pdf

15. ^《Using spectra to derive motions》 http://spiff.rit.edu/classes/phys301/lectures/doppler/doppler.html

16. ^红移也是距离。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/630539236

17. ^Zeeman Effect 塞曼效应 - 吸收线在磁场中的变化。 https://baike.baidu.com/item/%E5%A1%9E%E6%9B%BC%E6%95%88%E5%BA%94/1787148

18. ^利用自转天体赤道两端不同的速度造成的光谱红移来测量角动量。 https://qr.ae/pyfqIX

19. ^用 X 光谱分析来确定及测量黑洞的自旋。 https://www.nasa.gov/mission_pages/nustar/multimedia/pia16696.html