光譜分析

上文已經提及，我們眼中的白光事實上是由多種輻射集合形成的，這些輻射分別產生了不同的色彩感覺。我們已知棱鏡可以分解這一色彩混合體，因為每一種透過棱鏡的輻射均以不同方式被折射出去；穿過棱鏡的單束光在出口處分散形成一片彩虹，或者說光譜，光譜上色彩的順序恒定不變：紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。說實話，這些經典色彩之間并非涇渭分明，而是通過色彩與色彩間的過渡奇妙地融為了一體。如果我們承認光是由頻率驚人的振動引起的，就可以簡單地將光譜波段比作擁有無數琴弦的鋼琴音板，人類視網膜所感受到的每一種波長均與音板上的琴弦相對應：振動頻率最慢的一系列波長就像低音，產生了紅色，隨后振動加快，逐漸產生橙色、黃色……一直到人類可感知的由最快的振動所產生的紫色系列；在透過棱鏡進行折射時，紫色偏折最大，紅色偏折最小。此外，我們剛剛提到的波段僅包括人類視力所能感知到的振動，實際上，光譜波段非常廣闊，我們無法確定它的邊界。各種物理手段已使探索并記錄光譜中被命名為紅外線和紫外線的隱形部分成為可能。我們將繼續關注這些輻射的特殊屬性。

我們現在已經知道了原理，就來看看如何用光的分解來研究天體的化學成分和特性吧。

光譜分析是在由以下幾個基本元素組成的分光鏡下進行的：待分析的光集中于準直透鏡焦點上的狹縫內，準直透鏡可以將單束光分散為平行光線；平行光線被準直透鏡的棱鏡分散出去，隨后被第二塊透鏡收集起來，在透鏡焦點處形成了由一系列狹縫狀的圖形組成的圖像，每個狹縫圖形都對應于一種輻射。重復前面的對照后，我們可以想象出一條由連續不間斷的諧波和弦組成的頻帶。這就是純粹的連續光譜。

連續光譜是由任何白熾的固體或液體物質所發出的光或是被反射出去的這種光所形成的。如果白熾物質是氣態的，那么它發出的光會形成不連續光譜，不連續光譜由亮線組成，這些亮線占據了對應波段范圍的位置，僅僅呈現對應于該位置的部分光譜色彩。仍用鋼琴比喻的話，這些亮線僅代表特定的幾根琴弦，只有當所有琴弦的振動都產生時，才形成音板，也就是連續光譜。如果該氣態物質被放在更明亮的光源前，它顯示出的不再是特有的亮線，而是暗線，這些暗線清楚地出現在連續光譜間的相應位置上。太陽光譜的外觀上就會出現這種現象——固體或液態白熾物質所發出的光形成的明亮的彩虹區域形成了太陽的表面，而當光穿過太陽表面上方的氣態層或蒸汽層時，就會形成我們觀察到的暗線。

我們用慕尼黑光學家夫瑯和費的名字來為這些寬度不一的譜線命名，即夫瑯和費譜線，夫瑯和費是第一個通過實驗將這些暗線凸顯出來的人。在此之后，兩位德國物理學家基爾霍夫和本生發現了連續和不連續光譜的產生條件，他們還認識到，根據譜線的性質與位置，可分析生成它的物質的本質特征，這一發現使他們享有比前者更大的聲譽。不同物質擁有各自特定的光譜，如此一來，我們最終就有可能通過實驗分析發現那些原本觸及不到的物質的存在。

以上便是光譜分析的一般原理。此處的敘述雖然簡單，卻能讓我們更好地理解宇宙化學是如何給天文學帶來了驚人的進展。盡管如此，我們還是必須指出，這種研究方法提供的信息固然有可能使對其他星球外表的直接觀察結果得到補充，但在取得新的突破之前依然受到諸多限制。視覺觀察領域與攝影觀察領域也是如此，在徹底解決行星問題方面——其中行星的構成及其物理環境更是這項工作的目標——總有一些困難橫亙在眼前。

分光鏡可以確定化學物質的存在，而化學物質根據其狀態或吸收或反射我們所分析的光線，因此某些驚人的發現即使存在于太陽邊上或在差不多遙遠的彼方，也可以被我們俘獲，比如恒星、彗星、星云，但如果天體是反射面，我們就無計可施了，因為這些天體就像鏡子一樣，僅僅是將照亮它的光線反射出去，所以當我們用分光鏡研究月球地面時，所得到的只是月球反射給我們的太陽的光譜，至于月球土壤的組成，我們一無所獲。從另一方面來說，我們卻能了解到圍繞著這些反射面的天體大氣層的構成情況。我們已經以地球大氣層為例談到了大氣層對于天體研究所造成的不可避免的障礙，但在目前的情況下，光線穿越大氣層卻構成了一種頗具價值的元素，因為大氣層里的氣體或蒸汽可通過其特征譜線或吸收頻帶被檢測出來。確實如此，當我們觀察能發射自己特有光譜的太陽光線時，大氣層的光譜也會被添加進去，因為陽光或多或少要穿越大氣層才能抵達我們身邊。如果我們將這些事實用于對行星的觀察，在文中插圖的幫助下，就很容易明白研究行星大氣層的可能性了。同時，我們也可以理解這些研究的準確程度有多么微妙，因為我們必須精確分離所觀察到的光譜的各個構成元素。例如，如果一顆行星的大氣光譜與地球的大氣光譜大致相同，那么鑒別工作會非常困難，因為這些譜線都重疊在了一起。無論在何種情況下，這種細微的觀察都需要采用巧妙的比較措施，但對我們而言，一一介紹要花費太多時間和筆墨，我們只需要回顧天文學家們所使用的各種旨在更全面了解宇宙天體的研究方法及其工作原理。因此，當特別談到這些方法中的某一種時，我們僅詳細說明它探索了哪些方面，以及在這些方面取得了何等成就。

除了通過光譜分析獲得數據，我們還通過可確定的、排除其他輻射的光輻射獲取數據，特別是由一些可以過濾和選擇輻射的特殊屏幕所提供的攝影資料。上文已經提到，輻射波段超出了人類目力所及，但我們可以使用各種方法記錄僅由紅外輻射或紫外輻射形成的圖像。為此，我們仍然需要純物理領域的大發展和大繁榮。各種輻射被自然元素反射、吸收或漫射的程度不一，因此與在正常條件下拍攝出的照片相比，紅外照片所呈現出的狀態完全不一樣，甚至幾乎與相對應的正常的視覺印象截然相反。紫外照相會顯示出肉眼無法覺察的對比度。在行星研究方面，這類方法可以有效告知我們該行星表面或大氣層的某些物理特征。

我們還應指出光的偏振現象，即具有特殊性質的光會沿著一定的方向反射出去，這使我們在限定條件下也能得到一些有關所觀察的被照亮面的性質或結構的數據。