我們?nèi)绾沃捞罩械幕瘜W(xué)物質(zhì)？

據(jù)國外媒體報(bào)道，2020年9月，太陽系中的另一顆行星搶走了火星的風(fēng)頭，吸引了科學(xué)界和主流媒體的關(guān)注。原因在于，一國際研究小組在一篇論文中寫道：“金星的大氣中發(fā)現(xiàn)了磷化氫氣體。”這篇論文發(fā)布于在線期刊《自然·天文學(xué)》上。由于厭氧生態(tài)系統(tǒng)可產(chǎn)生磷化氫，這篇論文的發(fā)現(xiàn)讓人們不由地開始猜測(cè)和討論金星上存在生命的可能性。

但是，除了關(guān)于磷化氫是否能暗示有外星生命存在的爭(zhēng)論之外，這篇論文還帶來了一些其他的基本問題。比如，科學(xué)家是如何從地球上了解到金星大氣中的化學(xué)物質(zhì)的？

幸運(yùn)的是，天體發(fā)出的光進(jìn)入我們的望遠(yuǎn)鏡之后，不僅可以創(chuàng)造出精彩的圖像，也攜帶了這些天體的構(gòu)成信息。幫助我們了解天體構(gòu)成信息的研究，叫做天體光譜學(xué)。

早期天文學(xué)

早在有歷史記載之前，人類就已經(jīng)對(duì)宇宙充滿好奇。早期的人類和他們的洞穴繪畫讓我們對(duì)他們的天文興趣略知一二。人們時(shí)常望著天空深思，記下各種天文觀測(cè)，比如用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)日月食，用肉眼識(shí)別星座等。簡(jiǎn)而言之，天上的星星總是令我們著迷。

在十七世紀(jì)，當(dāng)伽利略用他的小望遠(yuǎn)鏡（早期望遠(yuǎn)鏡）做天文學(xué)研究之前，人們只能用肉眼觀察天空。雖然荷蘭眼鏡匠漢斯·李普希發(fā)明了折射望遠(yuǎn)鏡，但伽利略才是第一個(gè)使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天文的人。突然之間，他可以看到月球上的隕石坑、太陽上的黑點(diǎn)、土星環(huán)、木星衛(wèi)星等等。伽利略所不知道的是，未來，人類將可以在地球上，足不出戶，分析宇宙中的化學(xué)物質(zhì)。

1814年，慕尼黑的玻璃匠約瑟夫·夫瑯和費(fèi)發(fā)明了分光儀，即一種裝有經(jīng)緯儀（精密光學(xué)儀器）的望遠(yuǎn)鏡。他因此成為第一位研究來自不同天體（如月球、太陽、其他行星，以及恒星等）光譜的天體光譜學(xué)家。

然而，最早將光譜線和天體的化學(xué)性質(zhì)聯(lián)系在一起的人則是羅伯特·基爾霍夫和羅伯特·本森。這兩人是現(xiàn)代光譜分析學(xué)或光譜學(xué)的奠基人。他們不僅確定了光譜的預(yù)測(cè)性質(zhì)，還使用他們的技術(shù)發(fā)現(xiàn)了兩種新元素—— 銣和銫。

時(shí)間快進(jìn)到今天。如今，我們可以將望遠(yuǎn)鏡和光譜儀的功能相結(jié)合，來分析天體的化學(xué)成分。哪怕是銀河系之外的天體，我們也可以分析它們的化學(xué)組成。

在我們深入了解光譜學(xué)之前，我們不妨先快速溫習(xí)一下光的屬性。光是一種以波的形式傳播的能力。它是電磁輻射（電磁波）的一種形式，范圍包括無線電波到伽馬射線。而我們的肉眼只能看見其中一部分（很小的可見光范圍）。根據(jù)波長或頻率的不同，這些輻射的類型也不同。

現(xiàn)在，讓我們來聊聊光譜和光譜學(xué)。

什么是頻譜？

頻譜是光（電磁波）與其他物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的圖案。比如，太陽光與雨滴相互作用時(shí)，我們可以看到彩虹。頻譜是獨(dú)特的，并且取決于電磁波的類型以及與之相互作用的物質(zhì)屬性。如果我們知道光譜和光類型的信息，我們可以輕松推斷出與上述光相互作用的物質(zhì)類型。這就是光譜學(xué)的作用：允許我們分析光譜，并回溯以確定光譜源。

什么創(chuàng)造了光譜？

雖然肉眼看不見，但整個(gè)世界在原子層面上都有自己的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏。我們所知的一切皆由原子組成。原子中的電子不斷地像波浪一樣振動(dòng)（成為量子物體）。但光撞擊這些電子時(shí)，它們會(huì)以獨(dú)特的方式進(jìn)行相互作用。

未擾動(dòng)原子中的電子處于基態(tài)。當(dāng)外部能量以光（或熱）的形式撞擊它們時(shí)，電子會(huì)吸收能量躍遷到激發(fā)態(tài)。然而，電子并不喜歡激發(fā)態(tài)，總是想要回到基態(tài);因此，它們會(huì)釋放先前吸收的能量。這一吸收和釋放能量的過程，造就了頻譜。

什么是光譜學(xué)？

在躍遷至激發(fā)態(tài)和返回基態(tài)過程中吸收和釋放的能量與物質(zhì)的分子組成息息相關(guān)。例如，鈉原子電子吸收的光頻率和碳原子電子吸收的光頻率完全不同。同樣地，氧釋放的光與磷化氫釋放的光也完全不同。

離散頻率的光吸收或光釋放造就了化學(xué)圖譜或圖案，而對(duì)這些光圖案的研究也被正式命名為光譜學(xué)。

接下來就是天體光譜學(xué)。天體發(fā)出的光遇上望遠(yuǎn)鏡，并通過一個(gè)小小的開口進(jìn)入到望遠(yuǎn)鏡上的光譜儀。光譜儀的內(nèi)部是準(zhǔn)直鏡（將所有進(jìn)入光譜儀的光轉(zhuǎn)化為平行光線的拋物面鏡）。平行光線繼續(xù)來到帶有衍射光柵的鏡子（玻璃表面帶有細(xì)微劃痕的鏡子）。

光柵就像一個(gè)喜歡根據(jù)顏色區(qū)分M&Ms巧克力豆的人。光柵可以分離出光的不同成分，并根據(jù)其波長為它們分配單獨(dú)的通道，最后在另一個(gè)鏡面上形成頻譜。接著，一個(gè)電子耦合組件（光敏表面）檢測(cè)到鏡面上形成的頻譜，然后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字頻譜。

然后，我們?cè)賹⒃摂?shù)字頻譜與人類已知的不同化學(xué)物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。該分析有助于科學(xué)家確定，發(fā)射這種光的天體的化學(xué)性質(zhì)。

除了提供宇宙中物體的化學(xué)組成信息之外，光譜數(shù)據(jù)還能告訴我們這些物體的類型、周圍環(huán)境和它們表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)類型。

如果光直接來自某一個(gè)熱源，如恒星、行星或星云，我們會(huì)看到一個(gè)連續(xù)頻譜。大多數(shù)行星和恒星周圍聚集著云氣，這些氣體通常比光源的溫度更低。但是這些氣體會(huì)吸收光源輻射出的部分光頻率，因此當(dāng)輻射出的光經(jīng)過云氣再被我們的望遠(yuǎn)鏡接收到之后，被吸收的頻率在生成的頻譜上將顯得更暗。這類光譜被稱為吸收光譜或暗線光譜。

另一方面，如果我們觀察的是周圍氣體而非光源時(shí)，我們會(huì)看到那些被吸收的頻率在生產(chǎn)的頻譜上變成了明亮的譜線。這類光譜則被稱為發(fā)射光譜或明線光譜。

我們都曾聽說，宇宙正在不斷膨脹。這意味著有些物體正在遠(yuǎn)離我們，而另一些物體則在靠近我們。這種運(yùn)動(dòng)可以通過頻譜中的偏移來確認(rèn)。例如，科學(xué)家已經(jīng)掌握，對(duì)于被認(rèn)為相對(duì)于地球靜止的恒星，它們發(fā)出的氫原子的發(fā)射光譜線形狀。然后，我們可以拿這份頻譜去跟其他天體的氫原子發(fā)射光譜進(jìn)行比較。

如果該天體正在遠(yuǎn)離我們，那么它的氫原子光譜線將呈現(xiàn)出向頻譜上深紅色區(qū)域（或波長更長的區(qū)域）移動(dòng)的趨勢(shì)。這被稱為紅移。如果該天體正在靠近我們，那么它的譜線則會(huì)向頻譜深藍(lán)色區(qū)域（或波長更短的區(qū)域）移動(dòng)。不用多想，這被稱為藍(lán)移。波長的可觀測(cè)偏移被稱為多普勒頻移。

光譜線就像不斷送出的禮物。除了上述討論的內(nèi)容之外，光譜線還可以向我們透露，不同天體的密度、溫度和磁場(chǎng)等信息。

結(jié)論

人類一直對(duì)夜空充滿好奇。曾經(jīng)，我們用肉眼凝視夜空中閃爍的星星;到如今，我們可以借助哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到距離我們250萬光年的仙女座星系圖像。每一天，我們的目光都投向更深遠(yuǎn)的太空，試圖去了解宇宙的組成，探索地球之外的奧秘。誠如卡爾·薩根所言：“在某處，某些不可思議的事物正等待我們?nèi)チ私狻！?/p>