Спектральный анализ: температура и химический состав
Изучая спектр света небесного тела, астрономы могут многое узнать по этой теме. Спектр объекта можно рассматривать как вид удостоверения личности. Анализируя его точно, можно определить множество параметров, таких как температура, химический состав или скорость.
Температура и цвет
Начнем с самого важного параметра - температуры. Представьте, например, случай, когда металл нагревается в духовке. Сначала, когда металл имеет несколько сотен градусов, ничего особенного не видно невооруженным глазом. Тем не менее, можно почувствовать тепло металла, поместив руку рядом. Это ощущение отражает тот факт, что металл излучает инфракрасный свет, невидимый невооруженным глазом. Поскольку температура продолжает увеличиваться, металл постепенно сияет и становится раскаленным. Его цвет постепенно меняется, переходя от красного к оранжевому, затем к желтому и белому.
Следовательно, свет, исходящий от тела, зависит от его температуры. При нескольких сотнях градусов металл излучает в инфракрасном диапазоне, но при 800 градусах он излучает, особенно в красном цвете. Вольфрамовая лампа накаливания 3000 градусов излучает белый свет.
Спектр черных тел
Изучение спектра любого объекта позволяет нам, как и для металла, определить его температуру. Таким образом, поскольку поверхность Солнца выглядит белой (без учета земной атмосферы, которая делает ее довольно желтой), мы можем сказать, что ее температура составляет порядка 6000 градусов. Связь между температурой и максимальной длиной волны излучения была установлена в 1893 году Вильгельмом Веном. Это относится не ко всем телам, а только к классу теоретических и совершенных объектов, называемых черными телами.
К счастью, случается, что поведение звезд очень похоже на поведение черных тел. Изучение их спектра позволяет определить их температуру на расстоянии. В более общем смысле, твердые объекты, жидкости и плотные газы испускают непрерывное излучение, которое относительно хорошо подчиняется закону Вина.
Так, например, холодное межзвездное облако газа и пыли излучает в инфракрасном диапазоне, Солнце излучает в основном в видимом свете, а газ скопления галактик, нагретый до нескольких миллионов градусов, излучает в основном рентгеновские лучи. Во всех случаях именно наблюдение спектра этих объектов позволило нам определить их температуру.
Спектральные линии
Иная ситуация, когда исследуемый объект представляет собой газ низкой плотности. Открытие было сделано в 1814 году Джозефом фон Фраунгофером, который изучал спектр поверхностных слоев Солнца. Астроном, наблюдавший спектр с большой точностью, понял, что этот спектр не был непрерывным, но представил множество маленьких темных линий, называемых спектральными линиями. Эти линии соответствовали длинам волн, которые по неизвестной в то время причине отсутствовали в солнечной радиации.
Объяснение этой загадки было сделано Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом. Эти два физика создали спектроскоп, то есть инструмент, предназначенный для разложения света на различных длинах волн и для значительного расширения полученного спектра. Они использовали свое новое устройство для изучения излучения различных типов тел, особенно газов.
Они обнаружили очень странное явление. Спектр горячего газа был образован набором ярких линий, называемых эмиссионными линиями, без какого-либо непрерывного фона. Так же таинственно, что призрак черного тела после прохождения через холодный газ был сплошным, но усеян темными линиями, линиями поглощения.
Бунзен и Кирхгоф пришли к выводу из своих экспериментов, что составляющие газа могут излучать или поглощать свет только в определенных четко определенных длинах волн, в отличие от черного тела. Когда они наблюдали горячий газ, спектр состоял из эмиссионных линий на длинах волн, которые могли излучать эти составляющие. При наблюдении холодного газа, помещенного перед черным телом, составляющие газа поглощали свет на этих длинах волн и вызывали линии поглощения, наложенные на непрерывный спектр черного тела.
Химический состав по спектрам
Бунзен и Кирхгоф сделали еще большее открытие, когда обнаружили, что данный газ соответствует четко определенному набору лучей. Например, газообразный натрий всегда характеризовался двумя линиями в желтой части видимого спектра.
Это открытие стало крупным шагом вперед. Из исследования спектра газа и его линий стало возможным определить его состав. Так, например, если спектр неизвестного газа имеет две желтые линии выше, этот газ должен содержать натрий. Благодаря спектральному анализу стало возможным определять химический состав тела на расстоянии, что стало неожиданной возможностью для изучения небесных тел.
Спектральный анализ: эффект Доплера и другие меры
Приложения спектрального анализа не ограничиваются определением температуры и химического состава. Другой важной информацией является наблюдаемая скорость тела.
Эффект Доплера
Представьте себе, что вы наблюдаете объект, который издает звуковой сигнал, разделенный постоянным интервалом времени - этот интервал называется периодом.
Когда объект неподвижен, вы слышите звуковые сигналы один за другим, всегда разделенные одним и тем же интервалом времени.
Но теперь представьте, что объект приближается к вам со скоростью, не равной скорости звука. Передача звукового сигнала от объекта к нашему уху не может считаться мгновенным и необходимо учитывать время, необходимое для распространения звука.
Если первый звуковой сигнал подается в данной позиции, второй издает звуковой сигнал на меньшем расстоянии. Время передачи первого звукового сигнала, следовательно, больше, чем у второго. Для нашего уха интервал времени между двумя звуковыми сигналами больше не равен фактическому периоду сигнала. Таким образом, если объект приближается к нам, видимый период звука будет меньше, чем фактический период.
И наоборот, если объект удаляется, видимый период больше, чем фактический период.
Это явление называется эффектом Доплера, имя физика, который его открыл.
В случае звуковых волн его известное последствие - изменение звука сирены скорой помощи, которая быстро проходит перед нами. Когда сирена приближается, период звука уменьшается, и он становится более острым. Когда он уходит, период становится длиннее, и звук становится иным.
Эффект Доплера для световых волн
Эффект Доплера также имеет место для световых волн .
Когда источник приближается к нам, видимая длина волны его излучения уменьшается, его свет движется к синей части видимого спектра, и мы говорим о смещении в сторону синего. И наоборот, если источник удаляется, длина волны увеличивается, а свет смещается на красный.
Поскольку сдвиг длины волны напрямую связан со скоростью объекта, одна из величин позволяет определить другую.
Например, если мы хотим узнать относительную скорость звезды солнечного типа, нам нужно только взять спектр звезды, сравнить его со спектром Солнца, измерить разницу между ними, и сразу же вывести желаемую скорость.
Использование этого метода измерения скорости широко распространено во всех областях астрономии. Он используется, например, для определения скорости движения и скорости вращения других звезд, скорости выброса газа некоторыми телами в формировании, а также скорости наиболее удаленных галактик.
Обратите внимание, однако, что этот метод обеспечивает только скорость объекта вдоль линии обзора. Действительно, возможная скорость, перпендикулярная этой линии, не вызывает эффекта Доплера и поэтому остается незамеченной в спектре.
Другие применения спектрального анализа
Спектральный анализ приносит много другой информации. Таким образом, относительная высота линий газа указывает нам степень ионизации его составляющих, форма линий информирует нас о давлении, электрическом поле и турбулентности в газе, а также конкретное смещение линий, называемое Эффект Зеемана, может предоставить нам магнитное поле.
Спектр определенных объектов имеет очень специфическую форму, которую легко идентифицировать, что указывает на характер вовлеченных физических процессов, например, синхротронное излучение, создаваемое очень энергичными электронами, движущимися в магнитном поле и который дает непрерывный спектр, но отличается от спектра черного тела.
Астрономия становится астрофизической
Видно, что спектральный анализ является чрезвычайно эффективным инструментом. Из простого луча света можно получить внушительное количество информации об условиях, которые существуют в небесном объекте, и о физических явлениях, которые там происходят.
Именно благодаря этому фантастическому инструменту астрономия, как мы ее знали чуть более века назад, изучение положения и движения планет, стала астрофизикой, изучением физическая природа небесных тел и процессы, которые на них влияют.