光谱分析:在别的星球上揭示物质特征

不同类型光谱的示意图：1.由柔和的白炽光提供的连续光谱；2.由白炽气体提供的不连续光谱；3.由放置在白炽光源前的气体或蒸汽提供的吸收光谱。 Spectre：光谱 R（Rouge）：红 V（Violet）：紫

上文已经提及，我们眼中的白光事实上是由多种辐射集合形成的，这些辐射分别产生了不同的色彩感觉。我们已知棱镜可以分解这一色彩混合体，因为每一种透过棱镜的辐射均以不同方式被折射出去；穿过棱镜的单束光在出口处分散形成一片彩虹，或者说光谱，光谱上色彩的顺序恒定不变：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。说实话，这些经典色彩之间并非泾渭分明，而是通过色彩与色彩间的过渡奇妙地融为了一体。如果我们承认光是由频率惊人的振动引起的，就可以简单地将光谱波段比作拥有无数琴弦的钢琴音板，人类视网膜所感受到的每一种波长均与音板上的琴弦相对应：振动频率最慢的一系列波长就像低音，产生了红色，随后振动加快，逐渐产生橙色、黄色……一直到人类可感知的由最快的振动所产生的紫色系列；在透过棱镜进行折射时，紫色偏折最大，红色偏折最小。此外，我们刚刚提到的波段仅包括人类视力所能感知到的振动，实际上，光谱波段非常广阔，我们无法确定它的边界。各种物理手段已使探索并记录光谱中被命名为红外线和紫外线的隐形部分成为可能。我们将继续关注这些辐射的特殊属性。

我们现在已经知道了原理，就来看看如何用光的分解来研究天体的化学成分和特性吧。

光谱分析是在由以下几个基本元素组成的分光镜下进行的：待分析的光集中于准直透镜焦点上的狭缝内，准直透镜可以将单束光分散为平行光线；平行光线被准直透镜的棱镜分散出去，随后被第二块透镜收集起来，在透镜焦点处形成了由一系列狭缝状的图形组成的图像，每个狭缝图形都对应于一种辐射。重复前面的对照后，我们可以想象出一条由连续不间断的谐波和弦组成的频带。这就是纯粹的连续光谱。

普通光线下拍摄的拉芒什海滩照片

Rayons solaires：太阳光；Terre：地球； Atmosph ère：大气层；Plan è te：行星 通过光谱分析研究行星大气的种种条件。对于地球上的A与B而言，阳光穿过的大气层的厚度不同。当观测行星时，光线R被该行星反射出去，两次穿越其大气层，进行了最大程度的吸收,而光线R’却被N处的高层云反射出去。

连续光谱是由任何白炽的固体或液体物质所发出的光或是被反射出去的这种光所形成的。如果白炽物质是气态的，那么它发出的光会形成不连续光谱，不连续光谱由亮线组成，这些亮线占据了对应波段范围的位置，仅仅呈现对应于该位置的部分光谱色彩。仍用钢琴比喻的话，这些亮线仅代表特定的几根琴弦，只有当所有琴弦的振动都产生时，才形成音板，也就是连续光谱。如果该气态物质被放在更明亮的光源前，它显示出的不再是特有的亮线，而是暗线，这些暗线清楚地出现在连续光谱间的相应位置上。太阳光谱的外观上就会出现这种现象——固体或液态白炽物质所发出的光形成的明亮的彩虹区域形成了太阳的表面，而当光穿过太阳表面上方的气态层或蒸汽层时，就会形成我们观察到的暗线。

我们用慕尼黑光学家夫琅和费的名字来为这些宽度不一的谱线命名，即夫琅和费谱线，夫琅和费是第一个通过实验将这些暗线凸显出来的人。在此之后，两位德国物理学家基尔霍夫和本生发现了连续和不连续光谱的产生条件，他们还认识到，根据谱线的性质与位置，可分析生成它的物质的本质特征，这一发现使他们享有比前者更大的声誉。不同物质拥有各自特定的光谱，如此一来，我们最终就有可能通过实验分析发现那些原本触及不到的物质的存在(1)。(www.xing528.com)

红外线下拍摄的同一地点的照片

以上便是光谱分析的一般原理。此处的叙述虽然简单，却能让我们更好地理解宇宙化学是如何给天文学带来了惊人的进展。尽管如此，我们还是必须指出，这种研究方法提供的信息固然有可能使对其他星球外表的直接观察结果得到补充，但在取得新的突破之前依然受到诸多限制。视觉观察领域与摄影观察领域也是如此，在彻底解决行星问题方面——其中行星的构成及其物理环境更是这项工作的目标——总有一些困难横亘在眼前。

分光镜可以确定化学物质的存在，而化学物质根据其状态或吸收或反射我们所分析的光线，因此某些惊人的发现即使存在于太阳边上或在差不多遥远的彼方，也可以被我们俘获，比如恒星、彗星、星云，但如果天体是反射面，我们就无计可施了，因为这些天体就像镜子一样，仅仅是将照亮它的光线反射出去，所以当我们用分光镜研究月球地面时，所得到的只是月球反射给我们的太阳的光谱，至于月球土壤的组成，我们一无所获。从另一方面来说，我们却能了解到围绕着这些反射面的天体大气层的构成情况。我们已经以地球大气层为例谈到了大气层对于天体研究所造成的不可避免的障碍，但在目前的情况下，光线穿越大气层却构成了一种颇具价值的元素，因为大气层里的气体或蒸汽可通过其特征谱线或吸收频带被检测出来。确实如此，当我们观察能发射自己特有光谱的太阳光线时，大气层的光谱也会被添加进去，因为阳光或多或少要穿越大气层才能抵达我们身边。如果我们将这些事实用于对行星的观察，在文中插图的帮助下，就很容易明白研究行星大气层的可能性了。同时，我们也可以理解这些研究的准确程度有多么微妙，因为我们必须精确分离所观察到的光谱的各个构成元素。例如，如果一颗行星的大气光谱与地球的大气光谱大致相同，那么鉴别工作会非常困难，因为这些谱线都重叠在了一起。无论在何种情况下，这种细微的观察都需要采用巧妙的比较措施，但对我们而言，一一介绍要花费太多时间和笔墨，我们只需要回顾天文学家们所使用的各种旨在更全面了解宇宙天体的研究方法及其工作原理。因此，当特别谈到这些方法中的某一种时，我们仅详细说明它探索了哪些方面，以及在这些方面取得了何等成就。

除了通过光谱分析获得数据，我们还通过可确定的、排除其他辐射的光辐射获取数据，特别是由一些可以过滤和选择辐射的特殊屏幕所提供的摄影资料。上文已经提到，辐射波段超出了人类目力所及，但我们可以使用各种方法记录仅由红外辐射或紫外辐射形成的图像。为此，我们仍然需要纯物理领域的大发展和大繁荣。各种辐射被自然元素反射、吸收或漫射的程度不一，因此与在正常条件下拍摄出的照片相比，红外照片所呈现出的状态完全不一样，甚至几乎与相对应的正常的视觉印象截然相反。紫外照相会显示出肉眼无法觉察的对比度。在行星研究方面，这类方法可以有效告知我们该行星表面或大气层的某些物理特征。

我们还应指出光的偏振现象，即具有特殊性质的光会沿着一定的方向反射出去，这使我们在限定条件下也能得到一些有关所观察的被照亮面的性质或结构的数据。

(1) 每一条谱线对应相应的化学元素，因此知道谱线也就能知道是哪种化学元素。1814年，夫琅和费发明了分光仪后陆续测绘了574条太阳谱线，而基尔霍夫和本生则在此基础上确定了每条谱线所对应的化学元素。