科學(xué)家如何知道遙遠(yuǎn)恒星的秘密？原來(lái)都有光譜“指紋”！

今年3月30日，世界著名的科學(xué)雜志《自然》發(fā)布了一篇文章，聲稱(chēng)NASA（美國(guó)航天局）利用哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆迄今最遙遠(yuǎn)的恒星，編號(hào)為WHL0137-LS，被命名為Earendel，寓意是“晨星”或“旭日之光”。

研究認(rèn)為，這顆恒星距離我們約129億光年，質(zhì)量約有太陽(yáng)的50倍以上，是一顆巨大的藍(lán)星。在此之前，最遠(yuǎn)的恒星是2018年發(fā)現(xiàn)的MACS J1149 + 2223 Lensed Star-1（簡(jiǎn)稱(chēng)LS1），別名伊卡洛斯，距離我們約93億光年。

這些恒星都是通過(guò)引力透鏡放大效應(yīng)才被發(fā)現(xiàn)的，雖然很模糊，但科學(xué)家們也能夠從一點(diǎn)星光中發(fā)現(xiàn)其身份信息。許多距離在億萬(wàn)光年的恒星，科學(xué)家們都能夠?qū)⑵淝闆r娓娓道來(lái)，如數(shù)家珍。那么，科學(xué)家們是如何知道了這些恒星的信息呢？

原來(lái)科學(xué)家們有許多的科學(xué)方法，探知這些遙遠(yuǎn)恒星的秘密。其中很重要的一個(gè)方法，就是分析恒星光譜。恒星光譜可以披露出恒星很多深層的秘密，沒(méi)有兩顆恒星具有完全一模一樣的光譜，因此恒星光譜被譽(yù)為恒星的指紋。

科學(xué)家們正是掌握了恒星的這種“指紋”，才能夠了解遙遠(yuǎn)恒星的基本參數(shù)和細(xì)節(jié)。我們一起來(lái)學(xué)習(xí)了解一下。

光譜指紋是如何形成的/

我們知道，每個(gè)人都有不同的指紋，這個(gè)世界上沒(méi)有兩枚完全相同的指紋。正是如此，人們就可以通過(guò)一個(gè)人留下的指紋信息，在70多億人口中找到這個(gè)人。

但如果說(shuō)恒星也有指紋，許多人當(dāng)然不信。恒星是一個(gè)巨大的火球，怎么可能長(zhǎng)出指紋呢？這種說(shuō)法沒(méi)錯(cuò)，但這里說(shuō)的指紋并非真正的指紋，而是類(lèi)似指紋這種能夠辨別信息的方法。在人類(lèi)中，指紋常常與一個(gè)人身份信息相關(guān)，通過(guò)指紋比對(duì)，就可以了解這個(gè)人的性別、年齡、出生地、民族、信用狀況等等信息，因此指紋也類(lèi)似身份證。

恒星也是一樣，由于每顆恒星誕生的環(huán)境、時(shí)間、物質(zhì)組成、質(zhì)量大小、演化過(guò)程、距離遠(yuǎn)近都不一樣，導(dǎo)致發(fā)出的光就有差別，而恒星光譜就能把這些差別細(xì)微的刻畫(huà)出來(lái)，從而形成了恒星的“指紋”。

光譜，就是光的顏色和譜線(xiàn)。我們?nèi)搜劭吹降墓饨锌梢?jiàn)光，是復(fù)合光，如太陽(yáng)光由紅橙黃綠青藍(lán)紫等顏色組成，由于不同顏色的光具有不同的波長(zhǎng)和折射率，通過(guò)棱鏡時(shí)就會(huì)發(fā)生色散，將各種不同顏色的光分離出來(lái)。

可見(jiàn)光波長(zhǎng)約在380~780納米之間，以紫光波長(zhǎng)最短，紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，能量則與波長(zhǎng)成反比。可見(jiàn)光是電磁波譜中一小段，電磁波除了有可見(jiàn)光，還有不可見(jiàn)光，如無(wú)線(xiàn)電、紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)等。

光波是由于原子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電子產(chǎn)生的電磁輻射，不同物質(zhì)的內(nèi)部電子，以及這些電子在不同能量下運(yùn)動(dòng)情況是不一樣的，因此不同物質(zhì)在不同狀態(tài)下發(fā)射的光波就不同?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙元素有118種，每種元素發(fā)出的光波都是不一樣的。

光譜中會(huì)有光譜線(xiàn)，是指均勻連續(xù)光譜中的暗線(xiàn)或亮線(xiàn)，每種原子都有自己的特征譜線(xiàn)，因此，通過(guò)光譜線(xiàn)特征就可以鑒別出是什么原子或分子發(fā)出的光。光譜線(xiàn)遵從基爾霍夫定律，即每一種化學(xué)元素在高溫下，都能產(chǎn)生輻射而發(fā)出獨(dú)特的明線(xiàn)光譜；在低溫時(shí)，則吸收自己能夠發(fā)出的這些輻射，從而使光譜中的明線(xiàn)變成暗線(xiàn)。

科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室獲得各種元素在各種條件下發(fā)生的光譜樣本，有了這些樣本，與采集到的各種光源光譜對(duì)照分析，就能夠得到這些光源是什么元素發(fā)出，及其各種元素的豐度（比例）。這就是科學(xué)家通過(guò)恒星光譜分析，就能得到恒星狀態(tài)的原因。

通過(guò)恒星光譜分析，還能知道恒星的大小和壽命/

科學(xué)家們通過(guò)對(duì)恒星的長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律，就是質(zhì)量越大的恒星，光度越高，表面溫度也越高，這樣就能夠通過(guò)一顆恒星的亮度，來(lái)推測(cè)恒星質(zhì)量的大小了。

最常用的恒星光譜分類(lèi)系統(tǒng)是美國(guó)哈佛大學(xué)天文臺(tái)在十九世紀(jì)末提出的，稱(chēng)為哈佛系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將恒星光譜分為O、B、A、F、G、K、M等類(lèi)型，每個(gè)光譜型又分為10個(gè)次型，以阿拉伯?dāng)?shù)字0~9標(biāo)注。

不過(guò)現(xiàn)在觀測(cè)到的恒星，最熱的星為O5，最暗的星為M5，這樣O型只有6小類(lèi)，M型只有5小類(lèi)，暫時(shí)就只觀測(cè)到61小類(lèi)。

O型光譜恒星是指大于太陽(yáng)質(zhì)量20~150倍以上的恒星，呈現(xiàn)藍(lán)色，其表面溫度達(dá)到25000~55000K，絕對(duì)亮度是太陽(yáng)的20萬(wàn)~500萬(wàn)倍。這種巨型恒星在銀河系存在很少，約占恒星總數(shù)約0.00003%左右。

M型光譜恒星是指最小的恒星紅矮星，質(zhì)量在太陽(yáng)的0.4倍以下，最小的只有太陽(yáng)質(zhì)量的0.08倍，表面溫度2000~3500K。這種恒星是銀河系的主流恒星，占據(jù)了恒星總數(shù)約76.45%。

太陽(yáng)屬于G型光譜，這個(gè)光譜型恒星包括0.8~1.2倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，呈現(xiàn)黃色，因此又叫黃矮星，表面溫度在5000~6000K之間，在銀河系約占有7.8%的比重。太陽(yáng)就是一顆黃矮星，質(zhì)量為1.9896*10^30千克。

恒星光譜還有一些其他的分類(lèi)方法和類(lèi)型，這里就不展開(kāi)說(shuō)了。

恒星壽命是與質(zhì)量成反比的，也就是質(zhì)量越大的恒星，由于其內(nèi)部溫度和壓力極高，導(dǎo)致的核反應(yīng)就越激烈，燃燒得就越快，消耗的燃料就越大，因此壽命就越短；反之壽命就越長(zhǎng)。因此，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)恒星光譜分析，得到恒星質(zhì)量大小，由此又能夠得到恒星壽命長(zhǎng)短。

經(jīng)過(guò)對(duì)恒星光譜里面的元素比例分析，各種元素的豐度，就可以得到恒星演化到了哪個(gè)階段，還有多久的生存期了。這是因?yàn)楹阈菑囊徽Q生，就在源源不斷地進(jìn)行著核聚變，使恒星元素組分不斷發(fā)生變化。

這有點(diǎn)像對(duì)人類(lèi)年齡的了解，醫(yī)生知道了人類(lèi)在什么年齡段的骨密度、機(jī)體組織狀態(tài)等指標(biāo)，通過(guò)看檢查單化驗(yàn)單就大致知道這個(gè)人的年齡了。

從恒星光譜還能得到恒星與我們的距離/

從恒星光譜得到恒星與我們的距離有兩個(gè)常用方法：一是通過(guò)恒星的絕對(duì)星等與目視星等換算，得出恒星距離；二是通過(guò)恒星的光譜紅移量或藍(lán)移量計(jì)算出恒星距離。

絕對(duì)星等和目視星等都是恒星亮度的衡量指標(biāo)，都以數(shù)值表示，數(shù)值越大則表示越暗，反之越亮，還有負(fù)數(shù)，負(fù)得越多恒星就越亮。每一個(gè)等級(jí)亮度相差2.512倍，因此等級(jí)之間的亮度差就是2.512倍的指數(shù)。如1等星與6等星之間差5等，亮度就相差2.512的5次方倍，約為100倍。

絕對(duì)星等是恒星的絕對(duì)亮度，理論上是將恒星放在10秒差距的同一起跑線(xiàn)上來(lái)對(duì)比其亮度，因此絕對(duì)星等是恒星的真實(shí)亮度。秒差距是宇宙天體距離單位，1秒差距約3.26光年，10秒差距就是32.6光年。

目視星等簡(jiǎn)稱(chēng)視星等，是人類(lèi)肉眼看到恒星亮度的感受（包括望遠(yuǎn)鏡看到亮度的換算）。由于恒星有遠(yuǎn)有近，人眼看到的亮度就不能代表恒星的真實(shí)亮度，絕對(duì)亮度更大的恒星，由于距離更遠(yuǎn)，看起來(lái)會(huì)反而更暗；而絕對(duì)亮度不大的恒星，由于其距離很近，卻會(huì)更亮。

比如太陽(yáng)的絕對(duì)星等為4.83等，目視星等為-26.74等；天狼星A的絕對(duì)星等為1.42等，目視星等為-1.47等。從這兩顆恒星的絕對(duì)星等比較，天狼星比太陽(yáng)要亮約23倍，但目視亮度天狼星與太陽(yáng)就完全無(wú)法比較了。

太陽(yáng)巨大遙遠(yuǎn)令人無(wú)法直視，天狼星只是一顆星星，太陽(yáng)的目視星等亮度比天狼星大128億倍。這是因?yàn)樘?yáng)距離我們只有1.5億千米，而天狼星則有8.6光年，是太陽(yáng)距離的6萬(wàn)多倍。如果將天狼星移至太陽(yáng)位置，其亮度將達(dá)到-30等，依然是太陽(yáng)約23倍。

絕對(duì)星等與視星等之間的換算關(guān)系公式為：m=M-5log(d0/d)或M=m+5log(d0/d)。前面公式是已知絕對(duì)星等換算出目視星等，后面公式是已知目視星等換算出絕對(duì)星等。式中，m表示目視星等，M表示絕對(duì)星等，d0為10秒差距（32.6光年），d為天體實(shí)際距離。

從公式里，我們還可以看出，絕對(duì)星等與目視星等的關(guān)系與距離成比例關(guān)系，這樣既然從光譜類(lèi)型可以得到恒星的絕對(duì)星等，又可以通過(guò)肉眼或望遠(yuǎn)鏡確定恒星的視星等，就能換算出恒星與我們的實(shí)際距離了。

光譜紅移或藍(lán)移法，基于凡是以波方式運(yùn)動(dòng)的物體，都有一個(gè)多普勒效應(yīng)。就是波源向我們靠近時(shí)，波長(zhǎng)會(huì)被壓縮縮短，頻率會(huì)變高；反之波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，頻率變低。對(duì)于光波來(lái)說(shuō)，紅光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，籃紫光的波長(zhǎng)更短，因此光波波源遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，光譜線(xiàn)就會(huì)向紅端移動(dòng)；反之向藍(lán)紫端移動(dòng)。

這就叫光譜的紅移和藍(lán)移。紅移說(shuō)明光源正在遠(yuǎn)離我們，藍(lán)移說(shuō)明光源正在靠近我們。科學(xué)家們通過(guò)測(cè)量恒星光譜的紅移或藍(lán)移值，就能夠得到這顆恒星離開(kāi)或靠近我們的速度有多快。

紅移和藍(lán)移值與速度呈正比例關(guān)系，值越大，說(shuō)明速度越快。

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型理論認(rèn)為，宇宙正在膨脹，且各向同性，遠(yuǎn)方的星系和恒星都在遠(yuǎn)離我們而去，速度與距離成線(xiàn)性正比，就是越遠(yuǎn)的星系離開(kāi)速度越快，發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律的天文學(xué)家埃德溫·哈勃?jiǎng)?chuàng)立了哈勃定律，表述為：V= H*D。

這個(gè)公式里的V表示遠(yuǎn)方星系離開(kāi)我們的速度，H為哈勃常數(shù)，D為星系與我們實(shí)際距離。由此，如果從光譜紅移得到恒星離開(kāi)我們的速度，就能通過(guò)哈勃常數(shù)計(jì)算出恒星與我們的距離。

哈勃常數(shù)是指在百萬(wàn)秒差距位置，星系離開(kāi)我們的速度。歐空局在2013年通過(guò)普朗克衛(wèi)星測(cè)得的哈勃常數(shù)為67.80千米/秒，也就是在326萬(wàn)光年的地方，星系以每秒約67.8千米的速度遠(yuǎn)離我們。

這樣通過(guò)紅移值計(jì)算出某顆恒星離開(kāi)我們的速度為每秒1000千米，根據(jù)哈勃定律，可以計(jì)算出這顆恒星距離我們?yōu)椋?000/67.8*3260000≈4808萬(wàn)光年。

不過(guò)利用光譜紅移計(jì)算距離只適用于326萬(wàn)光年以上的距離，因?yàn)橛钪媾蛎浭窃诖蟪叨确秶呐蛎?，在小尺度范圍，宇宙膨脹效?yīng)不明顯，天體主要還是受引力約束，還會(huì)相互靠近。如仙女星系與銀河系就由于相互巨大引力而以每秒約300千米速度靠近，預(yù)計(jì)在30~40億年之間會(huì)發(fā)生碰撞融合。

總之，恒星光譜是每顆恒星的指紋和身份證，其中蘊(yùn)含著許多恒星信息。科學(xué)家們通過(guò)對(duì)恒星光譜的分析，就能夠給每一顆恒星建立身份檔案。對(duì)此，你怎么看？歡迎討論，感謝閱讀。

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