如何分析光的能量信息？|天文学家的备忘手册

1.3 光谱与光谱分析

作者| NASA
译者| Paradox

我们在1.1节中介绍了电磁波谱(光谱)，是电磁辐射按照能量分布形成的谱。我们也看到过自然界产生的光谱——美丽的彩虹，彩虹是太阳光经大气中水汽折射和反射而产生的光谱。透过水汽的阳光显示出不同的颜色(不同的颜色只是我们的眼睛里面的视锥细胞对不同能量的光子敏感性不同，然后经过大脑合成出来的)。

如何将我们看到的白光分解成如图2所示的光谱呢？我们所要做的就是使用狭缝将窄光束聚焦在三棱镜上，这样我们就搭建了一个结构简单的光谱仪。

我们日常看到的彩虹实际上是一个连续光谱，向我们显示了可见光中存在的不同能量的光(从红色到蓝色)。但是电磁频谱中不仅仅包含可见光的频率。它涵盖了从低能无线电波到微波，红外，光学，紫外线，高能X射线和γ射线的所有频率。    

每一种能量的光都有着各种各样的信息，有许多不同的机制可以使物体发光，而且每一种发光机制都有着独特的特征发光范围。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。光谱学在帮助科学家研究黑洞，中子星或活跃星系等物体如何产生光，其运动速度有多快以及由什么元素组成方面的问题非常有用。从低能量的无线电波到高能量的γ射线，都在天文学家的研究范围内。

科学家可以从光谱中学到什么？

光谱可以通过图像的方式呈现出来，如图4所示的三种形式的光谱。元素周期表中的每个元素都可能以气态形式出现，通过激发会产生一系列该元素原子特有的亮线，我们称之为发射谱线。氢原子的发射谱线不会像氦原子的发射谱线，氦原子的不会像碳原子、铁原子的发射谱线等等。发射谱线的宽度和亮度就代表着某种原子发射特定能量光子数的能力。当然，也有吸收谱，我们可以直观的看出从连续光谱中去除了发射谱线的成分就可以得到吸收谱了。物理过程也相当简单：连续光谱在被观察者接受之前，被中间介质中的某种原子所吸收。到再次发射出发射谱线时，光会是随机方向，在原方向上光的强度下降了，就会在连续光谱中留下了暗线。

如果将其显示为曲线图的话，天文学家会更容易挑选出光谱的特征。在曲线图中，特征能量的发射在曲线图中显示为峰值。在这种情况下，峰的高度和宽度代表线的强度。图5是在紫外线波长下的太阳光谱，有明显的白色条纹(在上侧的图)和特征峰(在下侧的曲线图).可以通过X轴看到它们对应的波长，比如氦发出的光波长为304 Å。图5中正好可以看到在该波长处的特征峰，则说明太阳中存在氦。因此，天文学家可以根据他们在恒星光谱中发现的线来识别恒星中存在哪些元素。

光谱分析(进阶部分)

一颗恒星中存在许多元素，而且恒星之间元素的丰度也不一样，我们可以通过观察恒星的光谱来分辨出不同的天体。光谱学分析的信息非常复杂，可以从光谱中提取出相当多的信息。例如，天文学家不仅通过光谱可以确定元素，还可以确定该元素在恒星中的温度和密度。

谱线还可以告诉我们有关恒星的磁场的信息，谱线的宽度帮助我们研究发光物体移动的速度。由此我们可以了解恒星风的信息。如果谱线的频率来回移动，我们可以推测出恒星可能正在绕着另一颗恒星运行。我们可以据此估算恒星的质量和大小。如果谱线增强或者减弱，我们可以了解恒星正在经历怎样的物理过程。

光谱信息还可以告诉我们有关恒星周围物质的信息。该物质可能从围绕恒星的环形圆盘(称为吸积盘)掉落到恒星上。这些吸积盘通常在中子星或黑洞周围形成。天体之间的物质发出的光告诉天文学家有很多气体和尘埃填充了恒星之间的空间，研究星际介质(Interstellar Medium, ISM)有助于天文学家理解天体内部发生的物理过程。所以说光谱学是天文学家用来研究宇宙的基本工具之一。

不只是可见光的光谱，可见光波段范围外的光谱可以告诉我们有关恒星周围物质的信息。这些物质可能是由黑洞或中子星的强大引力从伴星中抽取出，发生质量转移，这些物质围绕着黑洞或中子星最终形成吸积盘。在一个紧密的天体 (黑洞，中子星)周围，吸积盘中的物质由于相互摩擦而被加热到足够高的温度，从而能发出X射线。物质最终掉落到黑洞或中子星上。通过查看该物体及其周围磁盘发出的X射线光谱，我们可以了解这些物质转移的过程和物理性质。

如光谱简介中所讨论的，光谱只是光源的光强度随该光的能量而变化的图表。每个频谱都拥有各种各样的信息。例如，有许多不同的机制可以使天体产生光。这些机制中的每一个都有一个特征范围。

图6所示的X射线光谱图是由ASCA卫星获得的，卫星观察的是超新星遗迹(Supernova Remnant, SNR)发出的的X射线光谱。超新星遗迹是从巨大恒星爆炸中抛射出巨量物质，最终形成巨大气态物质云。

X轴显示所发射的光的能量范围(X射线的单位用keV来衡量，这是天文学家谈论X射线光时常用的单位)。图表的Y轴显示超新星遗迹发出的光的强度，即超新星遗迹在每种能量下发出多少光子。

图6主要由发射谱线和连续谱叠加而成。请注意，总体曲线随着能量的增加而减小。这种下降的曲线就是连续谱的成分，有各种能量的光子。但是该曲线上有凸起的峰，并用各种元素的符号标记，例如氖(Ne)，钙(Ca)和铁(Fe)。这些突起的峰就是发射谱线，能量展宽很小。连续谱和发射谱线这两种不同的X射线光谱是通过不同的过程产生的，分别展示了超新星遗迹Cas A中所具有的强磁场环境以及激波抛射出的物质的元素成分。

下面，我们将详细介绍发射谱线和连续谱，解释它们产生的原理，以及它们可以告诉我们哪些有关发光物体的信息。

发射谱线

请记住，如果我们在白光下使用棱镜，则会看到彩虹。那么如果我们使用分光光度计(将复合光分解成光谱的一种仪器)来观察一管纯净气体(例如氢气)会怎样？首先，我们需要将氢气加热到非常高的温度，或者通过使电流流过管子来为氢原子提供能量让氢气发光。换句话说，是通过加热或者加载电压使氢气发出辐射。

如果我们用分光镜观察氢气释放的光谱，而不是看到连续的颜色，我们只会看到一些亮线。下面我们看到的光谱显示了氢的独特“指纹”——发射线谱。

下面先解释发射谱线的产生原理。量子力学告诉我们原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。这些能量值就是能级。电子的基态(就是电子通常占据的能级)是该电子最低能量的状态。

图9.基态原子中的电子.

当电子“远离”原子核，不再受原子核的吸引力时的状态叫做电离态，电离态的能级为0(电子由基态跃迁到电离态时，吸收的能量最大) 。

图10.被电离的原子与自由电子.

当电子暂时占据的能级能量状态大于其基态时，它处于激发态。如果给予电子额外的能量，例如吸收光子或与附近的原子或粒子碰撞，电子就会跃迁到激发态。

图11.基态原子吸收光使电子跃迁至高能级，原子变成激发态.

每个能级具有特定的能量，为了使电子跃迁到更高的能级，它必须克服它所处的能级与更高能级的能量差。这意味着只有这个电子从光子或者从碰撞的粒子中获得的能量正好等于初末态的能量差，才能发生跃迁。当然，电子也不会长时间处于激发态，电子很快就会退激发回到基态，并释放能量正好等于能级之差的光子。

图12.激发态的高能级电子释放出光子跃迁至基态.

每个元素在各个轨道之间的跃迁所需的能量都是唯一的，因为能级是由原子核中的质子和中子唯一地确定的。当某个原子的电子从激发态返回到较低的轨道时，它们发出的光子所具有的能量携带着这种原子的特征信息。这为每个元素提供了唯一的"指纹"，从而可以识别存在于气体中的元素甚至天体中的元素。

还记得我们如何给氢灯中的氢原子以能量吗？通过加热或者加载电压，可以激发原子中的电子跃迁。当电子回到基态时，它们以氢元素的特征能量发出光子。如果我们更改氢气的物质量，则可以更改线条的强度和亮度，因为会产生更多或更少的光子。但是我们无法更改它们的颜色(能量)，因为无论存在多少氢气，发射线的能量都是固定的。氢元素的发射谱线模式是其独有的。发射线的亮度可以为我们提供大量有关存在的氢的信息。这在许多元素混合在一起的恒星中特别有用。

元素周期表中的每个元素都可以气态出现，并且每个元素都会产生一系列对该元素唯一的明亮发射线。氢的光谱看起来不会像氦的光谱，碳或任何其他元素的光谱。

我们知道电磁频谱的连续性从低能的无线电波扩展到微波，红外，光学，紫外线，X射线和γ射线。同样，氢的独特光谱在整个范围内延伸，其他元素的光谱也是如此。以上光谱在光学范围内。发射线谱实际上可以在更宽的能量范围下(即可见光范围，紫外线等)发生，并且可以与任何类型的原子发生。但是，并非所有原子在所有波长下都具有发射线谱。例如，原子能级之间的能量差不足以使轻元素的原子发射出X射线(就以氢元素为例，电离能为，自由电子被氢原子核俘获回到基态的能量也只有，氢元素所能发出最高的能量的光就在紫外线的范围内，并不足以发射高能量的X射线)。

连续谱

对连续谱的讨论集中在产生X射线的物理过程上。就像可见光能段光子能量有一个范围( ~ 对应能量范围 ~ )一样，X射线的能量范围通常为 ~ 。

像发射线谱一样，连续X射线发射谱也涉及带电粒子，连续发射谱是大量带电粒子被加速的结果。简单来说，带电粒子只要存在加速度，就会向外发出辐射。所有X射线源均包含部分电离的原子，这意味着电子需要从其原子核上解脱出来，才能在被加热到极限温度时自由地四处移动。由于电子的质量远远小于原子核，可以获得相当高的加速度，在天体的辐射过程中，大多数情形下辐射是由电子主导的。

为了使电子能够辐射高能的X射线，包含电子的等离子气体必须满足极端条件，例如数百万度的温度，超强磁场，或者电子以接近光速的速度运动等。极端条件可以在绕黑洞运行的吸积盘或超新星遗迹中找到。超新星爆炸后产生的强磁场，强磁场也可以使围绕着磁力线的螺旋运动的带电粒子加速到能够发射X射线的水平。在超新星爆炸产生的激波中，电子可以加速到接近光速。

有三种机制将产生连续的X射线发射谱。它们是同步辐射(Synchrotron Radiation)，轫致辐射(Bremsstrahlung)和康普顿散射(Compton Scattering)。极端环境下大量的高能电子，它们早已是自由的，因此我们可以认为它们分布在一个连续的能量范围，所以它们产生的辐射的能量分布也应是连续的，而不是依赖于原子核提供的电子轨道是分立的能量分布。

超新星遗迹中存在强大的磁场，并且超新星爆发的激波会将离子加速到相当高的能量，电子在强磁场中高速回旋运动，产生X射线的同步辐射。超新星遗迹产生的X射线需要极度高温的电子，每个电子的能量约为。那么超新星的激波必须将电子加热到约10, 000, 000, 000, 000℃(十万亿摄氏度)，才能让电子拥有这么多的能量！

当电子接近正离子时，来自正离子的强大电场力会导致电子的运动轨迹发生变化，电子以这种方式的加速使它辐射电磁能。这种辐射称为轫致辐射，原本是个德语词汇，意思是"刹车-辐射"(Brems-strahlung)。热致辐射发生在热气体中，在那里许多电子从其原子核中剥离出来，剩下大量电子和正离子。如果气体的温度足够高(约100, 000, 000 ℃)，则主要辐射X射线。

大约1, 000, 000 ℃ ~ 10, 000, 000 ℃的气体，例如超新星爆炸加热的气体，其大部分的X射线是由轫致辐射产生的。可以在超新星爆炸产生的冲击波或黑洞或中子星周围的吸积盘中将气体加热到这些温度。

图16.康普顿辐射过程示意图.(图片来源: NASA's Imagine the Universe)

视频2.逆康普顿散射的介绍视频

康普顿化(Comptonization)是指光子与电子碰撞时，光子会向电子传递能量或从电子中获取能量，从而改变电子的速度(高能光子向低能电子传递能量为康普顿散射，天文学家称之为康普顿软化过程；低能光子从高能电子获得能量为逆康普顿散射，天文学家称之为康普顿硬化过程)。逆康普顿散射和同步辐射是X射线弥散背景和活动星系的发出X射线的主导因素。

通过1.2和1.3两小节的介绍，我们了解了天文学家如何用光的时间信息和能量信息了解浩瀚宇宙中的天体。在第一章的最后一节，内容会相对轻松简单，我会介绍天文学家是如何给天体拍照片的。

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