В интернете вижу странное - под сообщениями об экзопланетах, о химическом составе их атмосфер скептические комментарии, авторы которых не знают, как можно эту информацию получить, не слетав на эти планеты, или даже уверены, что это и вовсе невозможно узнать. Например:
То, что знак вопроса в вопросительном предложении порой не ставят - тема отдельная. Адрес странички, с которой взяты эти скриншоты, я не сохранил, а найти снова её не смог. Говорят, что в интернете ничего не пропадает - может быть, и так, но найти можно далеко не всё. Впрочем, это не единственный пример, подобная реакция на научно-популярные тексты вполне типична.
Мне в школе рассказывали про спектральный анализ, с помощью которого ученые получают информацию в том числе и о таких весьма удаленых объектах. Неужели сейчас этого в школьной программе нет? Или эти комментаторы это напрочь забыли? Помнится, в советском школьном учебнике по обществоведению это приводилось как пример безграничной познаваемости мира - какие-то там идеалисты когда-то утверждали, что люди никогда не узнают химический состав небесных тел, однако, спектральный анализ позволил это сделать без межпланетных и межзвездных путешествий.
Проведу краткий ликбез в области оптической спектроскопии :-) Впрочем, что такое ликбез, и кто такие идеалисты ныне тоже надо многим разъяснять. Ликбез - это ликвидация безграмотности, которая проводилась в СССР в 1930-х годах, всех неграмотных в кратчайшие сроки научили читать и писать. Идеалисты - сторонники идеалистической философии, которая в СССР противопоставлялась философии материалистической. Впрочем, я не про это тут собирался писать, кому любопытно, и погуглить могут.
Первый оптический спектр получил и описал Исаак Ньютон - пропустил узкий луч света через стеклянную призму, он растянулся в радужную полоску. Другой ученый - Уильям Волластон - заметил в солнечном спектре какие-то темные поперечные линии. Он решил, что они разделяют цвета радуги. Но позже Йозеф Фраунгофер обнаружил сотни таких темных линий в спектре Солнца, которые с тех пор называют линиями Фраунгофера.
Уверен, что в XVII, XVIII и XIX веках тоже находилось немало тех, кто считал всё это бесполезной ерундой. Иван Андреевич Крылов написал про таких свою басню "Свинья под дубом" два века тому назад.
Поначалу спектры так и наблюдали и изображали - как полосу с постепенно переходящими один в другой цветами радуги. Тогда же заметили, что видимым светом спектр не ограничивается - и дальше красного цвета, и за фиолетовым краем в спектре есть невидимые лучи, обнаруживаемые, например, по их тепловому действию. Их назвали инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами.
Свет - это электромагнитная волна, т.е., колебания электрического и магнитного полей, распространяющиеся в пространстве. Поэтому свет имеет такие характеристики как длина волны и частота. Если их перемножить, получится скорость света. Скорость света в вакууме - величина постоянная, поэтому для характеристики света достаточно указать либо длину волны, либо частоту. Обычно указывают длину волны. В то же время свет можно рассматривать и как поток частиц - фотонов, имеющих энергию, пропорциональную частоте. Разложить свет в спектр - это и значит разложить его по длинам волн: красные лучи имеют наибольшую длину волны из всего видимого спектра (до 730 нанометров), фиолетовые - наименьшую (от 380 нм). Видимый свет - весьма небольшая часть диапазона электромагнитных волн, простирающегося от радиоволн до гамма-излучения.
Свойства атомов и молекул описываются квантовой механикой (https://dzen.ru/a/Z8R4tUUbulLIRJwQ) и непохожи на свойства привычных нам макроскопических предметов. В частности, энергия атома или молекулы может принимать только фиксированные значения из некоторого набора величин, называемых энергетическими уровнями. Атомы и молекулы состоят из элементарных частиц - протонов и нейтронов, составляющих ядра атомов, и движущихся возле ядер электронов. Строго описать взаимодействие большого числа частиц невозможно - аналитическое (в виде формул) решение есть только у задачи двух взаимодействующих тел, а для трех и более его нет. Однако, возможно описать атомы и молекулы с точностью, достаточной для многих практических задач. Движение электронов можно рассматривать отдельно от движения ядер - это называется приближением Борна-Оппенгеймера, оно работает в большинстве случаев (исключения называются эффектом Яна-Теллера). Движение ядер проявляется в колебаниях атомов в молекуле и вращении молекулы как целого. Есть ещё взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах. Каждому виду движений и взаимодействий соответствуют свои наборы энергий, комбинации которых составляют полные наборы возможных энергий атома или молекулы. Переход атома или молекулы из состояния с одной энергией в состояние с другой энергией сопровождается поглощением или излучением фотона - кванта электромагнитного излучения, энергия которого соответствует разности энергий этих уровней. Поэтому атомы и молекулы способны поглощать или испускать излучение только определенных энергий, которые соответствуют линиям в их спектрах. Переходам между разными состояниями атомных ядер соответствует излучение в гамма-диапазоне - это самая коротковолновая область всего известного спектра электромагнитных излучений. Хотя космическое гамма-излучение существует и наблюдается, для обнаружения атомов или молекул в космическом пространстве и небесных телах этот диапазон не используется. Переходы между энергетическими уровнями электронов в атомах и молекулах лежат в широком диапазоне от рентгеновских лучей (длина волны от 0.005 до 10 нм) через ультрафиолетовый (10-380 нм) и видимый (380-730 нм) диапазоны до ближнего инфракрасного (730 нм - 2.5 мкм).
Способность некоторых веществ окрашивать пламя известна давно. Изучая это явление, химик Бунзен (матерый был человечище - см. фото) и физик Кирхгоф создали в середине XIX века спектральный анализ. Образец вещества вносили в пламя газовой горелки, сконструированной Бунзеном, и регистрировали спектр излучения этого пламени. Сначала наблюдали спектры глазом, потому прибор называли спектроскоп. В пламени вещество распадается на атомы, которые при высокой температуре пламени испускают свет, спектр которого состоит из отдельных узких линий и называется линейчатым.
Например, если внести в пламя природного газа, спирта или сухого горючего (гексаметилентетрамина) на стальной проволочке немного поваренной соли (хлорида натрия, ссылки), пламя окрасится в желто-оранжевый цвет. Если сумеете получить спектр этого пламени, в нем будет яркая желто-оранжевая линия при 589 нанометрах. Точнее, там будут две близко расположенные линии - это излучение атомов натрия. В спектре натрия есть и другие линии, но эти две самые интенсивные. Газоразрядные лампы с парами натрия используются для уличного освещения, хотя в настоящее время их постепенно заменяют светодиодными.
Цвет излучения натриевой лампы желто-оранжевый, с легким розовым оттенком.
Линейчатые эмиссионные спектры, т.е., спектры испускания и наблюдали в спектроскопах, позже их фиксировали при помощи фотопленки - я сам делал это в университете на атомном практикуме. На таких изображениях излучение с определенной длиной волны выглядит как узкая вертикальная линия. Отсюда и пошел термин "спектральная линия", обозначающий поглощение или испускание света в определенном узком диапазоне.
Каждый элемент имеет только ему свойственный набор линий, поэтому по спектру можно точно определить, какие элементы содержатся в образце, внесенном в пламя.
Если же свет проходит через газ, атомы этого газа будут поглощать свет тех же самых длин волн, которые они способны испускать, и на фоне непрерывного спектра появятся темные линии - именно так образуются линии Фраунгофера при прохождении света от фотосферы Солнца через его атмосферу. Линии Фраунгофера соответствуют спектральным линиям различных элементов, содержащихся в атмосфере Солнца, т.е., по спектру можно определить её химический состав.
Современные спектрометры обычно сразу выдают спектр в виде графика зависимости интенсивности излучения от длины волны или от частоты. Спектр излучения, состоящий из узких линий на таком графике будет выглядеть как набор узких пиков. Линии Фраунгофера на спектре излучения Солнца будут наблюдаться как узкие провалы.
Спектроскоп помог найти множество новых элементов. Первые из них называли по цвету спектральных линий. Цезий назвали по небесно-голубой линии. Рубидий - по рубиновой. Таллий назвали из-за зеленой линии, от слова, означающего распускающуюся ветку. Индий - по линии цвета красителя индиго. "Гелий" означает "солнечный", его нашли сначала на Солнце по жёлтой эмиссионной линии в спектре солнечной короны, который получили во время полного солнечного затмения. Позже гелий нашли и на Земле - в минералах, содержащих уран или торий, при радиоактивном распаде которых он там и образовался в течение сотен миллионов и миллиардов лет. С появлением спектрального анализа открытие любого нового элемента подтверждали спектром. Спектры помогли открыть галлий французскому химику Лекоку де Буабодрану. Сравнивая спектры родственных элементов, Буабодран заметил закономерность, из которой следовало, что в ряду алюминий-индий-таллий не хватает одного элемента. Он стал искать его в цинковой обманке, из которой ранее выделили индий, и сначала нашел новый элемент по спектру, а потом и выделил его. Галлий и индий долго не находили применения, и тоже могли показаться забавой ученых, не имеющей практического смысла. Сейчас галлий используется повсеместно - его соединения работают в светодиодных светильниках и лазерах - освещение, подсветка экранов, фонарики, электрогирлянды, лазерные указки, приводы оптических дисков - везде нитрид, фосфид или арсенид галлия. Индий используется в любом жидкокристаллическом экране - в телефонах, мноиторах компьютеров, экранах ноутбуков, планшетов и т.д. Жидкие кристаллы тоже открыли в 19 веке совершенно случайно - синтезировали эфиры холестерина, а они оказались жидкими кристаллами. Для чего жидкие кристаллы могут пригодиться, тогда и предположить не могли.
Те или иные элементы в атмосферах других звёзд или туманностей можно обнаружить точно так же, как и в атмосфере Солнца - по темным или ярким линиям в их спектрах. В спектрах некоторых звёзд видны линии элемента, которого практически нет на Земле - технеция, не имеющего стабильных изотопов - это говорит о его постоянном образовании в этих звёздах в результате ядерных реакций. Некоторые линии, наблюдающиеся в спектрах туманностей или солнечной короны, долго не могли отнести к каким-либо известным элементам и предположили, что это линии неизвестных элементов, которые назвали небулий и короний. Предполагали, что они могут располагаться в таблице Менделеева между водородом и гелием или перед водородом. Однако, в 1913 году Генри Мозли, изучая рентгеновские спектры различных элементов, установил физический смысл номера элемента в периодической системе Менделеева - этот номер равен заряду ядра, выраженному в элементарных зарядах (т.е., числу протонов в ядре, но строение атомного ядра тогда ещё не было известно). Из этого открытия следовало, что водород в таблице таки первый, до него элементов нет, а гелий - второй, между ним и водородом тоже ничего нет. В конце концов установили, что линии, приписанные небулию принадлежат дважды ионизованному кислороду O2+, а приписанные коронию - тринадцатикратно ионизованному железу Fe13+.
В спектрах многих звезд наблюдаются не только отдельные узкие линии, но и более широкие полосы, состоящие из близко расположенных узких линий. Такие полосатые спектры принадлежат молекулам. Атомы в молекулах колеблются, при переходах между электронными состояниями меняются также колебательные состояния, спектральные линии соответствуют сумме изменений электронной и колебательной энергий молекулы, поэтому для каждого электронного перехода наблюдается набор линий, соответствующих разным изменениям колебательной энергии. Это назвается колебательной структурой спектральных полос. Атмосфера Солнца состоит в основном из отдельных атомов, но в ней также обнаружены двухатомные молекулы и даже молекулы воды. Богаты разнообразными молекулами атмосферы более холодных красных звёзд, а в атмосферах самых горячих звезд молекул нет, они там не могут существовать.
Линии и полосы электронных переходов наблюдаются в основном в ближнем ультрафиолете, видимом свете и ближнем инфракрасном диапазонах - более короткие волны сильно поглощаются атмосферой, да и сравнительно редки такие излучения в космосе. В среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (2.5-1000 мкм) наблюдаются колебательные спектры, полосы в которых соответствуют переходам между колебательными состояниями молекул, без переходов электронов на другие энергетические уровни. Они тоже состоят из наборов близко расположенных линий, что на этот раз связано с вращением молекул, т.е., с вращательными уровнями энергии, поэтому их называют колебательно-вращательными спектрами.
Вращательные спектры, без колебательной составляющей, наблюдаются в дальнем инфракрасном и микроволновом диапазонах. В микроволновом диапазоне (длина волны от 1 мм до 1 м) находится также излучение атомов водорода, связанное с взаимодействием спина (магнитного момента) электрона и протона - его длина волны 21 см. Такой же природы излучение гидроксильного радикала ОН наблюдается на длине волны 18 см.
Инфракрасное излучение сильно поглощается земной атмосферой, поэтому инфракрасные телескопы работают в космосе. Первым был IRAS ещё в 20 веке, несколько лет назад завершил работу "Гершель", а "Уэбб" свою работу в космосе продолжает.
Разные спектроскопические методы позволили обнаружить множество молекул не только в атмосферах звезд и планет, но и в туманностях, в межзвездных облаках газа - эти облака даже стали называть молекулярными. Конечно, в основном это простые молекулы - вода, угарный газ, синильная кислота, сероводород, но много и более сложных - формальдегид, метанол, формамид, уксусный альдегид, уксусная кислота, диметиловый эфир, акрилонитрил, метилформиат. Многих весьма впечатляет обнаружение в космических облаках этилового спирта (этанола). Поскольку облака огромны, спирта оказывается очень много. Но облака эти также очень разрежены, по одной молекуле спирта на ведро, а то и ещё меньше. Т.е., на стопку водки их пришлось бы собирать с объема примерно с Землю, причем метанола, синильной кислоты, сероводорода и прочих неприятных компонентов, а также воды в веществе облака будет гораздо больше, чем этанола.
В космосе обнаружены и ещё более сложные вещества - например, аминокислота глицин, антрацен и другие полициклические углеводороды и даже фуллерен - шар из 60 атомов углерода, похожий на футбольный мяч. Впрочем, относительно некоторых из этих находок есть сомнения, поскольку удалось зафиксировать не все линии, предсказанные для этих молекул теоретически и наблюдающиеся в лабораторных условиях.
Обнаружить вещество в космосе не всегда просто - линий в спектре обычно множество, и не все их удается соотнести с конкретными веществами.
Часто интенсивность линий невелика, они едва видны на фоне шума. Вот так выглядит спектр, по которому обнаружили молекулу NS в коме кометы Хейла-Боппа:
Эти молекулы широко распространены в космосе, а вот чтобы получить их заведомый спектр, в лабораторных условиях приходится их получать в газовом разряде - в банку это вещество не положишь, в баллон не закачаешь в виду его чрезвычайной нестабильности. Впрочем, атомарный водород или гидроксильные радикалы в лабораторных условиях тоже живут ничтожные доли секунды, а в космосе они встречаются повсеместно. В космосе нередко встречаются молекулы, которые трудно получить в лаборатории в концентрации, достаточной для получения его спектра.
Обнаружен в космосе и катион NS+ по вот таким спектрам:
Обнаружить что-то в атмосфере экзопланеты сложнее, чем в спектре звезды, туманности или кометы. Когда планета проходит позади звезды, получаем спектр звезды, а в остальное время - суммарный спектр звезды и планеты. Вычитая из последнего первый, получим спектр планеты, несущий информацию о её атмосфере.
Случаются в этой области не только открытия, но и "закрытия". К примеру, не так давно сообщалось об обнаружении в атмосфере Венеры фосфина РН3. Это сообщение привлекло внимание, поскольку фосфин считается биомаркером, т.е., указывающим на возможное наличие жизни - возникновение его абиогенным путем считается маловероятным. Однако, впоследствии вывод о наличии на Венере фосфина был признан ошибочным.