光与恒星光谱 – 星明天文台

作者|刘少华

审核|黄坚

编辑|席宇博

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光——生命存在必不可少的要素，是万千世界的灯塔,照亮了美丽的人类家园。人类对于光的研究从很早就已开始，光的反射定律在欧几里得时代已被得到认可。而在我国，早在战国初期，墨学创始人墨子便发现了光的反射定律，建立了中国的光学体系。

墨子（图片来源于futuresdawn.info）

广义上，光是指所有的电磁波。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，这称为波粒二象性。

在19世纪之前人们已经认识到了光具有波动性，在干涉，衍射，偏振等实验中充分得到了证明。光是一种以光速传播的的波，波就是某种东西在传播过程中振动的现象，波也有能量：其频率越高，波长越短，波的能量越高。随着时代的进步，光的另一种特性粒子性也逐渐浮出水面，通过普朗克对黑体辐射的研究，提出“量子化假说”即能量不是连续的，而是一份一份的，爱因斯坦对光电效应的“量子论解释”，以及德布罗意提出“德布罗意关系”等，众多科学家的努力，证明了光的粒子性，所以光具有波粒二象性，在此基础上，更进一步的建立起了“量子力学”，开启了物理新时代的大门。

1666年伟大的科学家牛顿发现了太阳光其实是一种复色光，在三棱镜的作用下可以分成几种颜色的光，即由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的，因此叫做复色光，其中红、橙、黄、绿等色光叫做单色光。复色光分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。实际上可见光只占电磁波谱的很小一部分，在可见光之外的不可见光还有红外线（波长大于760nm）、紫外线（波长小于380nm）等，就像我们只能听见钢琴音乐中的中音C调周围的很小一部分。比红光波长更长的是红外线与微波和无线电波，微波可以来加热食物，无线电波可以用来打电话传输网络信号，而比紫光波长更短的是紫外线，X射线、γ射线等，强的紫外线会损伤皮肤，X射线、γ射线用于医学等领域。

电磁波谱（图片来源于维基百科）

19世纪60年代随着光谱学逐渐发展，各种相关的研究层出不穷，根据研究光谱方法的不同，习惯上把光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。这些不同种类的光谱学，从不同方面提供物质微观结构知识及不同的化学分析方法。

如果我们在一堆燃烧的火堆上撒上不同的金属粉末，只要温度够高就会发现光发生了颜色的变化，这是为什么呢？原因就是由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。那么光谱就像一张名片一样，名片中告诉了我们姓名和电话号码，而光谱就告诉我们这个物体是由什么元素组成的。例如太阳光就是我们日常所见的光，这样我们就可以分析一下太阳是由哪些元素组成的。

高分辨率太阳光谱（图片来源于N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF）

随着光谱分析应用到天文学，恒星光谱不但可以看出恒星的元素组成与元素的丰度，也可以通过光谱中的吸收谱线，我们可以大致知道恒星的温度高低。然而恒星光谱的研究内容特别广泛，但从观测角度来看，主要有三条途径。第一是认证谱线和确定元素的丰度。就像我们发现了一个新的超新星时，必须要对它证认谱线。第二是测量多普勒效应引起的谱线位移和变宽，第三是测量恒星光谱中能量随波长的变化，包括连续谱能量分布、谱线轮廓和等值宽度等等。

Ia型超新星SN 2020scc与SN 1989B的光谱比较（图片来源于Claudio Balcon）

最后大家来和小星复习一下恒星光谱的分类叭。在天文学，恒星分类是将恒星依照表面温度分门别类，伴随着光谱特性、以及随后衍生的各种性质。因为在一定的温度范围内，只有特定的谱线会被吸收，所以查看光谱中被吸收的谱线，就可以确定恒星的温度。现今的恒星光谱分类系统是在美国哈佛大学天文台19世纪末提出的分类方法基础上进一步发展而来的。哈佛大学天文台的分类方法被称为哈佛系统。按照这个系统，恒星光谱分为O、B、A、F、G、K、M(、R、S、N)等类型,每种光谱型根据谱线强度加上阿拉伯数字后缀（范围0～10，可取小数）分成数个次型。它将恒星的光谱分成七大类（若加上R、S、N则是十大类），每类再细分为十小类,但目前最热的星为O5，最冷的星为M5，即O型只有五小类，M型只有六小类，总计为61小类。为了方便记忆，发展出了许多记忆用的口诀，其中最为人熟知的便是这一句：Oh, Be A Fine Girl! Kiss Me! Right Now, Smack！更多的记忆方法见http://www.star.ucl.ac.uk/~pac/obafgkmrns.html

恒星光谱哈佛系统分类（图片来源于维基百科）

另一种光谱分类的方法是摩根-肯那光谱分类法（MK系统），这是目前最通用的恒星分类法，依据恒星的温度和光度进行排序，这种分类方法以哈佛分类法为基础，在哈佛分类标记后面加上罗马数字表示光度类型，即：0特超巨星、Ⅰ超巨星、Ⅱ亮巨星、Ⅲ正常巨星、Ⅳ亚巨星、Ⅴ主序星、Ⅵ亚矮星、Ⅶ白矮星。Ⅲ～Ⅳ表示光度介于Ⅲ和Ⅳ之间。关于恒星光谱的分类，小伙伴们可进一步参考小星之前的文章哦:

https://mp.weixin.qq.com/s/vwuAlrcSxZ3_gZZ-Xn_WQg