Спектроскопия это в астрономии кратко
Обновлено: 04.07.2024
Вы можете поделиться своими знаниями, улучшив их ( как? ) Согласно рекомендациям соответствующих проектов .
Ознакомьтесь со списком задач, которые необходимо выполнить, на странице обсуждения .
Анализ спектра дает нам большой объем информации об источнике, излучающем свет, а также о материи между источником и нами.
Резюме
Исторический
Из небесных объектов только Солнце посылает на Землю достаточно энергии чтобы можно было проводить детальные спектральные исследования коротковолнового излучения с помощью ограниченных инструментальных возможностей, предоставляемых пока ракетами и спутниками.
Спектр солнечного света.
Земная атмосфера очень сильно поглощает излучение с λ ˂2900 Å. В интервале длин волн от 2900 до 2000 Å изучение Солнца поглощается озоном.
Первая отчётливая фотография солнечного спектра в вакуумной области получена 21 февраля 1955г. Спектр солнца был зафиксирован на высоте 115 км. На земле спектрограф заполняли гелием, а во время полёта на ракете гелий под давлением выше атмосферного просасывался через спектрограф.
При разогревании тел повышается их температура. У твердых тел она представляет собой меру колебательной энергии их атомов, а у жидких и газообразных — меру кинетической энергии свободных атомов и молекул. У нагретых твердых и жидких тел излучение имеет плавный, непрерывный по длинам волн спектр. Яркость того или иного участка спектра характеризует количество излучаемой телом энергии на этой длине волны. Например, у тел, нагретых до 1000 К, наиболее ярким будет красный участок спектра, а по мере дальнейшего повышения температуры ярче его становятся последовательно другие участки спектра. У тел, нагретых выше 7000 К, излучение всего ярче в ультрафиолетовых лучах.
Очень важную роль в спектральном анализе небесных тел играет эффект Доплера. Он заключается в том, что если источник излучения движется к нам, то длины волн спектральных линий в его спектре уменьшаются, а если удаляется, то увеличиваются. Смещение спектральных линий, таким образом, характеризует скорость движения источника по направлению луча зрения. Эффект Доплера дает возможность оценить также и скорость вращения звезд. Например, вследствие вращения Солнца западный край Солнца удаляется от нас, а восточный край – приближается к нам.
Рис5.
Эффект Доплера
1 – неподвижный объект, 2 – удаляющийся объект,
3 – приближающийся объект.
С развитием космической техники стало возможным изучать небесные тела вне земной атмосферы с помощью спутников, орбитальных и межпланетных станций. Такие исследования получили название внеатмосферных.
Самым ярким примером внеатмосферного электронного телескопа является телескоп "Hubble". В апреле 1990 года кораблем многоразового использования на орбиту была выведена космическая обсерватория, на борту которой был установлен этот телескоп, диаметр главного зеркала которого - 2.4 метра и вес которго более 12 тонн.
Орбитальный телескоп "Хаббл".
Благодаря телескопу обнаружены: протопланетные диски вокруг молодых звезд, новые типы планетарных туманностей с чрезвычайно сложной структурой газовых волокон. Богатый материал получен о планетах нашей Солнечной системы: сезонные изменения полярных шапок Марса; извержение вулкана на спутнике Ио; падение на Юпитер кометы Шумейкера-Леви 9; удалось проследить формирование газового хвоста у кометы Хейла-Боппа во время ее подлета к Солнцу и пронаблюдать взрывоподобные выбросы пыли из ядра кометы.
В рамках программы по исследованию галактик получены данные о формировании молодых звезд, определены периоды пульсаций цефеид в далеких галактиках и по ним уточнена шкала межгалактических расстояний, только благодаря отсутствию атмосферных помех реализовалась возможность увидеть в деталях ядра галактик, наблюдать отдельные молодые звездные скопления, квазары и получить веские свидетельства о существовании черных дыр.
Слева изображение красного карлика системы Gliese 229 сделанное с земли
Справа та же звезда но снимок сделан Hubbl`ом, снижение шумов очевидно.
Заключение.
Спектроскопия на протяжении многих лет является, и в перспективе будет являться, одним из основных методов изучения качественных и количественных свойств веществ. На сегодняшний день трудно представить какую либо исследовательскую или производственную деятельность, в которой не принимали бы участия спектроскопические методы. Изучая спектры отдалённых звёзд и планет, учёные уже находят планеты, на которых возможна жизнь, и я считаю, что даже одна эта роль спектроскопии в жизни человечества значит очень много.
Использованная литература.
Задумывались ли вы над тем, откуда мы знаем о свойствах далёких небесных тел?
Новый взгляд на Вселенную
Наверняка вам известно о том, что таким знаниям мы обязаны спектральному анализу. Однако нередко мы недооцениваем вклад этого метода в само понимание Вселенной. Появления спектрального анализа перевернуло многие устоявшиеся парадигмы о строении и свойствах нашего мира.
Благодаря спектральному анализу мы имеем представление о масштабе и величии космоса. Благодаря нему мы перестали ограничивать Вселенную Млечным Путём. Спектральный анализ открыл нам великое разнообразие звезд, рассказал об их рождении, эволюции и смерти. Этот метод лежит в основе практически всех современных и даже грядущих астрономических открытий.
Узнать о недосягаемом
Ещё два столетия назад было принято считать, что химических состав планет и звезд навсегда останется для нас загадкой. Ведь в представлении тех лет космические объекты всегда останутся для нас недоступными. Следовательно, мы никогда не получим пробного образца какой-либо звезды или планеты и никогда не узнаем об их составе. Открытие спектрального анализа полностью опровергло это заблуждение.
Спектральный анализ позволяет дистанционно узнать о многих свойствах далёких объектов. Естественно, без такого метода современная практическая астрономия просто бессмысленна.
Линии на радуге
Темные линии на спектре Солнца заметил ещё в 1802 году изобретатель Волластон. Однако сам первооткрыватель особо не зациклился на этих линиях. Их обширное исследование и классификацию произвел в 1814 году Фраунгофер. В ходе своих опытов он заметил, что своим набором линий обладает Солнце, Сириус, Венера и искусственные источники света. Это означало, что эти линии зависят исключительно от источника света. На них не влияет земная атмосфера или свойства оптического прибора.
Природу этих линий в 1859 открыл немецкий физик Кирхгоф вместе с химиком Робертом Бунзеном. Они установили связь между линиями в спектре Солнца и линиями излучения паров различных веществ. Так они сделали революционное открытие о том, что каждый химический элемент обладает своим набором спектральных линий. Следовательно, по излучению любого объекта можно узнать о его составе. Так был рождён спектральный анализ.
В ходе дальнейших десятилетий благодаря спектральному анализу были открыты многие химические элементы. В их число входит гелий, который был сначала обнаружен на Солнце, за что и получил своё название. Поэтому изначально он считался исключительно солнечным газом, пока через три десятилетия не был обнаружен на Земле.
Три вида спектра
Пример линейного спектра поглощения
Чем же объясняется такое поведение спектра? Ответ кроется в квантовой природе излучения. Как известно, при поглощении атомом электромагнитной энергии, его внешний электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Аналогично при излучении – на более низкий. Каждый атом имеет свою разницу энергетических уровней. Отсюда и уникальная частота поглощения и излучения для каждого химического элемента.
Именно на этих частотах излучает и испускает газ. В тоже время твёрдые и жидкие тела при нагревании испускают полный спектр, независящий от их химического состава. Поэтому получаемый спектр подразделяется на три типа: непрерывный, линейчатый спектр и спектр поглощения. Соответственно, непрерывный спектр излучают твёрдые и жидкие тела, линейчатый – газы. Спектр поглощения наблюдается тогда, когда непрерывное излучение поглощается газом. Другими словами, разноцветные линии на тёмном фоне линейчатого спектра будут соответствовать тёмным линиям на разноцветном фоне спектра поглощения.
Именно спектр поглощения наблюдается у Солнца, тогда как нагретые газы испускают излучение с линейчатым спектром. Это объясняется тем, что фотосфера Солнца хоть и является газом, она не прозрачна для оптического спектра. Похожая картина наблюдается у других звёзд. Что интересно, во время полного солнечного затмения спектр Солнца становится линейчатым. Ведь в таком случае он исходит от прозрачных внешних слоёв её атмосферы.
Принципы спектроскопии
Принцип оптического спектрального анализа
Разложение света может также происходить с помощью дифракционных решёток. Дальнейший анализ света можно производить самыми различными методами. Изначально для этого использовалась наблюдательная трубка, затем – фотокамера. В наши дни получаемый спектр анализируется высокоточными электронными приборами.
До сих пор речь шла об оптической спектроскопии. Однако современный спектральный анализ не ограничивается этим диапазоном. Во многих областях науки и техники используется спектральный анализ практически всех видов электромагнитных волн – от радио до рентгена. Естественно, такие исследования осуществляются самыми различными методами. Без различных методов спектрального анализа мы бы не знали современной физики, химии, медицины и, конечно же, астрономии.
Спектральный анализ в астрономии
Спектры различных звезд
Как отмечалось ранее, именно с Солнца началось изучение спектральных линий. Поэтому неудивительно, что исследование спектров сразу же нашло своё применение в астрономии.
Разумеется, первым делом астрономы принялись использовать этот метод для изучения состава звезд и других космических объектов. Так у каждой звезды появился свой спектральный класс, отражающий температуру и состав их атмосферы. Также стали известны параметры атмосферы планет солнечной системы. Астрономы приблизились к пониманию природы газовых туманностей, цефеид, а также комет, колец Сатурна, полярного сияния и многих других небесных объектов и явлений.
Однако с помощью спектрального анализа можно узнать не только о качественном составе объектов.
Измерить скорость
Эффект Доплера в астрономииЭффект Доплера в астрономии
Эффект Доплера был теоретически разработан австрийским физиком в 1840 году, в честь которого он и был назван. Этот эффект можно пронаблюдать, прислушиваясь к гудку проезжающего мимо поезда. Высота гудка приближающегося поезда будет заметно отличаться от гудка отдаляющегося. Примерно таким образом Эффект Доплера и был доказан теоретически. Эффект заключается в том, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается. Она увеличивается при удалении источника и уменьшается при приближении. Аналогичным свойством обладают и электромагнитные волны.
Материалы по теме
Открытие американского учёного Эдвина Хаббла сравнимо с разработкой Коперником гелиоцентрической системы мира. Исследуя яркость цефеид в различных туманностях, он доказал, что многие из них расположены намного дальше Млечного Пути. Сопоставив полученные расстояния с красным смещением спектров галактик, Хаббл открыл свой знаменитый закон. Согласно нему, расстояние до галактик пропорционально скорости их удаления от нас. Хотя его закон несколько разнится с современными представлениями, открытие Хаббла расширило масштабы Вселенной.
Спектральный анализ и современная астрономия
Сегодня без спектрального анализа не происходит практически ни одного астрономического наблюдения. С его помощью открывают новые экзопланеты и расширяют границы Вселенной. Спектрометры несут на себе марсоходы и межпланетные зонды, космические телескопы и исследовательские спутники. Фактически без спектрального анализа не было бы современной астрономии. Мы так и дальше бы вглядывались пустой безликий свет звёзд, о котором не знали бы ничего.
Астрономическая спектроскопия включает преобразование света от небесных тел в цифровой спектр. Затем цифровой спектр сравнивается со спектральными данными различных химических веществ, известных человечеству. Анализ помогает ученым определить химический состав небесного источника, излучающего этот свет.
В сентябре 2020 года еще одна планета в нашей солнечной системе украла центр внимания с Марса, привлекая внимание как научного сообщества, так и основных средств массовой информации. Это было сделано после захватывающего доклада международной исследовательской группы, которая объявила: "Газ фосфин найден в атмосфере Венеры". Отчет, опубликованный в журнале "Nature Astronomy", вызвал споры и предположения о признаках жизни на планете, прежде всего потому, что анаэробные экосистемы производят фосфин.
Однако, помимо споров о том, указывает ли фосфин на присутствие инопланетной жизни или нет, эта история порождает несколько других элементарных вопросов. А именно как они поняли химию Венеры отсюда, на Земле?
К счастью для нас, свет, попадающий в наши телескопы с небесного тела, не только создает великолепные изображения, но и несет информацию о том, из чего сделаны эти небесные тела. Инструментом, который помогает нам обрабатывать эту информацию, является астрономическая спектроскопия.
Ранняя астрономия
Любопытство человечества к космосу простирается далеко за пределы записанной истории. Древние люди и их наскальные рисунки дают нам некоторое представление об их интересе к астрономии. Люди провели много лун, делая астрономические наблюдения, такие как предсказание затмений с помощью математики и определение созвездий невооруженным глазом. Проще говоря, звезды всегда очаровывали нас.
Использование нашего невооруженного глаза для наблюдения за небесами было единственным вариантом до 1600-х годов, когда Галилей начал использовать свою подзорную трубу (ранний телескоп) для астрономии. Иоанн Липперсгей, голландский производитель оптического стекла, изобрел рефракторный телескоп, а Галилей был первым, кто использовал его для астрономии. Внезапно он увидел такие вещи, как кратеры на Луне, темные пятна на солнце, кольца Сатурна и спутники Юпитера. Он тогда еще не знал, что когда-нибудь человечество сможет анализировать химию космоса, не выходя за пределы нашей уютной и теплой планеты.
В 1814 году оптик из Мюнхена Йозеф фон Фраунгофер изобрел спектроскоп - телескоп, модифицированный теодолитом (оптический инструмент). Он стал первым астрономом-спектроскопистом, изучившим спектры, полученные от различных небесных тел, таких как луна, солнце, другие планеты и звезды.
Однако первыми, кто связал спектральные линии с химией объекта, были Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (также известные законами Кирхгофа и горелкой Бунзена). Они были отцами-основателями современного спектрального анализа или спектроскопии. Они не только определили предсказательную природу спектров, но также обнаружили два новых элемента - рубидий и цезий - используя свой метод.
Перенесемся в наши дни, где мы объединим возможности телескопов и спектроскопии для анализа химического состава небесных объектов даже за пределами нашей галактики Млечный Путь.
Прежде чем мы перейдем к спектроскопии, возможно, нам нужно быстро освежить в памяти свойства света. Свет - это форма энергии, которая движется волной. Это форма электромагнитного излучения (электромагнитных волн), которое варьируется от радиоволн до гамма-лучей, из которых мы можем видеть только среднюю часть (небольшой видимый диапазон). Эти типы излучения разделяются по длине волны или частоте.
Что такое спектр?
Спектр - это узор, который создается, когда свет (электромагнитные волны) взаимодействует с веществом (например, мы видим радугу, когда солнечный свет взаимодействует с каплями дождя). Спектр своеобразен и зависит от типа электромагнитных волн и свойств взаимодействующей с ними материи. Теперь, если мы знаем информацию о спектрах и типе света, мы можем легко определить тип материи, с которой свет взаимодействовал. Это то, что позволяет нам делать спектроскопия - анализировать спектры и прослеживать их в обратном направлении, чтобы определить, что их породило.
Что создает спектры?
Хотя это и не видно невооруженным глазом, весь мир танцует в своем собственном ритме на атомном уровне. Все, что мы знаем, состоит из атомов, и атомы имеют электроны, которые постоянно вибрируют, как волна (будучи квантовым объектом), и когда на них попадает свет, они взаимодействуют уникальным образом.
Электроны в невозбужденном атоме любят зависать в своем основном состоянии. Когда на них попадает внешняя энергия в виде света (или тепла), они поглощают ее и переходят в возбужденное состояние. Тем не менее они всегда стремятся вернуться в свое основное состояние; для этого они излучают энергию, которую они поглотили в первую очередь. Этот процесс поглощения и излучения приводит к появлению множества спектров.
Что такое спектроскопия?
Эта энергия, поглощаемая или испускаемая в процессе возбуждения и релаксации, уникальна для молекулярного состава вещества. Например, частоты света, поглощаемого электронами атома натрия, будут полностью отличаться от частот, поглощаемых углеродом. Точно так же свет, излучаемый кислородом, будет полностью отличаться от света фосфина.
Видимый спектр излучения углерода
Химические отпечатки или узоры образуются из-за поглощения или излучения света на дискретных частотах, и изучение этих световых узоров формально называется спектроскопией.
Теперь перейдем к астрономической спектроскопии. Свет от источника (небесных тел) попадает в телескопы и через небольшое отверстие попадает в прикрепленный к нему спектрограф. Внутри спектрографа находится коллимирующее зеркало (параболическое зеркало, преобразующее весь свет, попадающий в прибор, в параллельные лучи). Этот свет попадает в зеркало с дифракционной решеткой (мелкие регулярные царапины на поверхности стекла).
Решетка разделяет различные компоненты света и назначает им отдельные полосы на основе их длины волны, в конечном итоге создавая спектр на другом зеркале. Спектр, сформированный на зеркале, затем регистрируется устройством с заряженной связью (светочувствительной поверхностью) и преобразуется в цифровой спектр.
Работа спектроскопической микролинзы.
Затем цифровой спектр сравнивается со спектральными данными различных химических веществ, известных человечеству. Анализ помогает ученым определить химический состав небесного источника, излучающего этот свет.
Спектральные данные дают информацию не только о химическом составе объектов в пространстве, но и об их типе, окружении и характере движения, которое они демонстрируют.
Если свет получается непосредственно от горячего источника, такого как звезда, планета или туманность, мы видим непрерывный спектр. Большинство планет и звезд окружено газовой атмосферой, которая обычно холоднее источника, излучающего свет. Более холодные газы поглощают некоторые частоты света, излучаемого источником, поэтому когда свет от этого источника достигает нас через облака, поглощенные частоты кажутся более темными в генерируемом спектре. Эти типы спектров известны как спектры поглощения или спектры темных линий.
С другой стороны, если мы попытаемся наблюдать за окружающими газами, а не за источником, мы увидим, что эти поглощенные частоты излучаются обратно в виде ярких линий в генерируемом спектре. Эти типы спектров известны как эмиссионные или ярко-линейные спектры.
Все мы слышали, что Вселенная постоянно расширяется. Это означает, что одни объекты удаляются от нас, а другие приближаются. Это движение можно определить, изучая сдвиги, наблюдаемые в спектре. Например, ученые решили, как будут выглядеть спектральные линии излучения водорода звезды, которая считается неподвижной относительно Земли. Затем этот спектр сравнивается со спектрами излучения водорода других небесных объектов.
Если объект удаляется от нас, спектральные линии спектра водорода будут казаться смещенными в сторону более красной области или более длинноволновой области спектра. Это известно как красное смещение. Если бы тело двигалось ближе к нам, линии, по-видимому, сместились бы в сторону более короткой длины волны или более синего конца спектра. Это явление известно как синее смещение. Этот наблюдаемый сдвиг длин волн называется доплеровским сдвигом.
Спектральные линии подобны дарам, которые продолжают дарить. Помимо того, что было рассмотрено выше, они также дают нам информацию о плотности, температуре и магнитных полях различных небесных тел.
Вывод
Человечество всегда было очаровано ночным небом. Мы перешли от удивленного созерцания мерцающих звезд в ночном небе невооруженным глазом к получению 1,5-миллиардного пиксельного изображения галактики Андромеды, находящейся на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас. Каждый день мы углубляемся в космос, пытаясь понять, из чего состоит Вселенная, и раскрыть тайны, скрытые в тишине за пределами нашей планеты. Как однажды сказал Карл Саган: "где-то нас ждет нечто невероятное".
Читайте также: