2013年6月3日

CSI宇宙現場之利器—光譜學

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

天文學是古老的學問,它比物理學還早,但現今這門認識宇宙的天文學和物理學是密不可分的麻吉,所有認識宇宙的手段都必須受到物理的認可,才有合理的解釋。法國實證主義的孔德(Auguste Comte)曾說:在有關星星的議題,最終沒有歸結為簡單目視觀測的所有研究都是被拒絕的。我們雖然可能可以確定它們的形狀、大小和運動,但我們應當永遠無法透過任何手段來研究它們的化學成分或礦物結構……我們對於其氣態外殼的知識只限於它們的存在、大小……繞射能力,我們不能夠確定它們的化學組成,甚至其密度……我認為任何有關各種星球真正的平均溫度,我們永遠無法得知。簡單地說,星球是遙不可及的,由於實證的基本觀點,孔德認為我們只能瞭解星球的表象(例如存在與否、形狀、大小和運動),但真實內涵(例如組成、密度和溫度)是無從得知的。

光譜學的興起
孔德在1835年提出上述斷言,經過24年,物理學家克希何夫(Gustav Robert Kirchhoff)認為我們可以透過光譜瞭解遙遠氣體的化學組成,於是乎,天文學搭上了物理,正式進入了天文物理學領域。

其實在孔德發表高見之前,就已經有德國人系統地從事光譜研究,他是光學儀器製造者——夫朗和斐(Joseph Fraunhofer)。夫朗和斐早期磨製光學鏡片,1814年,他用自製分光鏡分析不同氣體的光譜,意外發現太陽光譜有許多暗條紋(譜線)。所謂光譜,是光線依照不同顏色(波長)展開的分布情況,就像彩虹一樣。牛頓的三稜鏡實驗在這方面起了個頭,1802年,英國物理學家渥拉斯頓(W. Wollanston)則是先將光線通過狹縫,再通過三稜鏡,這時便看到暗條紋。但夫朗和斐長期觀察,比較太陽、行星和恆星的光譜,光譜學先驅的光環理應落在他的頭上。夫朗和斐1817年的文章寫道:我用許多實驗和各種不同的方法,證明這些譜線和譜線帶是太陽光固有的性質,絕不是因繞射、幻覺等原因所造成。夫朗和斐在太陽光內找到五百多條暗線,現稱為夫朗和斐譜線(圖一)。

圖一:夫朗和斐手繪太陽光譜。
下方是通過三稜鏡後的太陽光譜,當中有五百多條的暗線,即為夫朗和斐譜線。
上方是對應的強度分布,是一個溫度約6000K 的黑體輻射。(作者提供)

光譜學三定律
這些暗線是怎麼來的?這就得等克希何夫和本生(Robert Bunsen)一同解開這個謎題。克希何夫和本生合作,在實驗室透過分光鏡觀察氣體燃燒的顏色,在當中看到類似夫朗和斐譜線,只不過他們看到的是位置相同的亮線,而非暗線。克希何夫進而提出光譜學三定律,這三定律總結了光譜的所有特性以及產生方式。就像克卜勒行星運動定律描述克卜勒觀察的行星運動規律,後由牛頓的萬有引力定律解開其中的緣由,1859年的克希何夫光譜學三定律則是需要二十世紀初的量子物理,才得以解釋譜線產生的原因。

觀測儀器—光柵
要看到星光內的譜線,最容易的方式就是用三稜鏡,將星光內各種不同波長的光展現開來。由於星光通過三稜鏡的一個面,會有各種不同的折射光,為了得到清晰的譜線,可以先將星光通過一個狹縫,穿透三稜鏡(圖二),便得到帶狀展開的光譜。限於三稜鏡的品質,光譜的解析度很難提升,於是發明繞射光柵。1786年美國天文學家里滕豪斯(David Rittenhouse)用50條並排的髮絲做成第一個繞射光柵,平均一英吋有100根頭髮的間距。1821年夫朗和斐則自製260條細線緊密排列的繞射光柵(圖三),他發現線的間距越小,光譜可以分得越開,越容易看出譜線。
圖二:克希何夫和本生當時所使用的分光鏡,物質經過右方本生燈
的燃燒而發光,經由望遠鏡(標示B),通過三稜鏡(標示F)後,
可從望遠鏡(標示C)看到譜線。(圖片來源:維基百科) 
圖三:早期的繞射光柵示意圖。由許多
細線緊密排列在一起,固定在兩根螺絲
釘的螺紋上,光線通過細線會產生光譜。(作者提供)

所謂的繞射光柵是利用了光的繞射原理,將光線分散開,一般分成透射式光柵和反射式光柵(如圖四)。透射式光柵就像夫朗和斐的光柵,光通過狹縫,因相互之間的干涉,使得強度分佈有所不同,形成所謂的干涉條紋,若入射光非單色光,則出現各種顏色的干涉條紋,構成譜線。反射式光柵則是在反射面上有鋸齒狀分布,經由反射而出現干涉條紋。【更詳細的內容,請參閱第522期科學月刊】
圖四:分別是透射式光柵和反射式光柵的側面圖。(作者提供)

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