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原子那么小,宇宙这么大,科学家拿什么判断各个星球含什么元素?

天文学家如同侦探一样,宇宙中只要有一点点光闪过,哪怕再暗,他们都可以揪出背后隐含的一大串信息。

天文学家都练就了“千里眼”和“火眼金睛”,他们如同侦探一样,宇宙中只要有一点点光闪过,哪怕再暗,他们都可以揪出背后隐含的一大串信息,从而带领我们了解宇宙,但是他们需要一些工具辅助。

科学家的“千里眼”就是我们的太空望远镜,特别是哈勃望远镜,可谓是劳苦功高。即使再微弱的光在它们的持续曝光下也会显现,不过光有“千里眼”可不行,因为距离太远,因为光会“跑偏”。

原子那么小,宇宙这么大,科学家拿什么判断各个星球含什么元素?

元素的游戏

游戏

我们先玩一个游戏:我们以ABCD作为暗号,然后每个人有自己的代号,比如说我是AB,你是BD,小娜是CD。

规则一:当敌人拿枪,分别问我们,“你的代号是什么?”

因为心里害怕被打死我就会喊出AB,你喊BD,小娜喊CD。

规则二:当敌人把我们聚集起来问我们,“别嘴硬了,我知道你们的暗号是ABCD,都报下自己代号吧,坦白从宽?”

因为没上枪,不害怕,我们想要伪装自己,就要把暗号中除了我的自己代码的其他字母喊出来。

我会喊CD;你喊AC;小娜喊AB;

游戏规则理解了吗?理解了就不用玩了,因为这个游戏元素时时刻刻都在玩。

元素的光

不同的元素发出的光都会发出与众不同的颜色,所以我们可以看到五彩斑斓的世界。它们发出的光其实就是它们的代码。比如你给予氢原子能量(拿枪指着),它就会释放红、绿、中蓝、深蓝色的光。钠原子获得能量,他就是释放两种黄光。

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如果你把一束给从红到蓝混合的光给予它,他就会(为了伪装自己)把具有它自己特性(代号)的光吸收回去,反射出(喊出)其他的光。

这就是元素与光的游戏,我们可以利用光这样的特性来识别“谁是谁”?比如说:我们发现某些物质自发的发出两种波段的黄光,那么它就是钠。烟花是最好的例子:五颜六色,我们要多点黄就往火药里多加点钠,我们要点绿就加一些铜。

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或者说我们把一束连续波段的光(暗号)照到一个物质上,发现它反射了除了它本身那两个波段的黄光之外的其他光,那它也是钠。

不过元素何其多,可不只是ABCD四种这么简单,某些元素也会发出黄光,光靠颜色可不行,科学要严谨,精确,所以我要祭出“光谱仪”来对照。

光谱分析

前面一提到波段是不是有点发懵?为什么光要说波段,因为光是一种电磁波。我们能看见的叫做可见光,大部分的电磁波我们看不见,比如遥控器常用的红外线,还有太阳的紫外线。光的颜色不同是因为光的波长不同。我们一般以纳米为单位,而波段就是波谱中的一段。

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有了光谱就好办了,它就像所有元素的“指纹库”。当我们得到物体或星球发出的光,如果是自发光,就直接对照光谱得到波段,如果是反射光,我们就看它缺少哪个波段,这些数据像每种元素特定的“指纹”,然后把这些信息输入“指纹库”,电脑就会输出这是什么元素。

有人可能会问了,比如你看到星球某处的钠元素是两种黄光混合成一束光,混合的光如何跟波谱做比较。不要担心这事牛顿很早就帮我们解决了,有个东西叫做三棱镜它可以散射光,一束混合的阳光通过三棱镜,你就可以得到彩虹的所有颜色。

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但是科技飞速发展,三棱镜天文学家早就不用了。我们现在用光谱仪,电脑直接会显示这束光里都有什么元素,不需要我们自己去比对,计算了。比如说下图:虽然肉眼看起来差不多,但是它们的波段中,还是有很多细微的差别,很多我们肉眼都无法识别的,光谱仪就可以“火眼金睛”看出它们的不同之处,从而告诉你恒星所具有的元素种类。

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图:13个恒星的光谱图

不过,只分析光还不行,虽然爱因斯坦说过“光速不变”(这里不赘述了,想了解看狭义相对论),但是光的波长是会改变,这是因为宇宙在膨胀。

光被拉长了

如果把宇宙空间分成一个一个的小格子,那么当宇宙膨胀的时候,这些小格子就会变大。

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图:空间膨胀

根据哈勃定律:宇宙膨胀的速度与距离成正比,也就是说离我们越远的宇宙空间小格子变大的速度很快。当光线在这片空间中飞行时,波长会因为空间的膨胀而被“拉”长。比如有一个颗恒星在88亿年前,发出了一道光,经历了88亿年的跋山涉水,一路走来空膨胀“拉伸”,今天到达地球早已变得妈妈都不认识了。

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图:仔细看光的波长和颜色变化

根据电磁波波谱我们可以知道可见光中蓝光波长短,红光波长长,所以当光被拉长,光就会往红光方向转变,天文学家管这个现象叫做红移。

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最好的例子就是宇宙的第一束光,“宇宙微波背景辐射”,经过了138亿年的膨胀,现在的波长已经被拉伸到了1*10^6纳米,即毫米级别。

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总之, 远距离的星系发出的光,膨胀程度较大,当光的波长改变了,那么元素的“指纹”也就跟着“漂移”了,我们上说的光谱分析也就泡汤了,所以我们要先通过哈勃定律或距离等参数消除红移,把光波再还原回去。

总结

由此依靠光谱,即使百亿光年恒星触不可及,我们也可以知道恒星上纳米和微米级别的元素。延伸一下:不同的元素之所以会发出不同的光是因为原子结构中电子能级态差不同,所以释放出来的光子能量不同,吸收的能量也不同,因为光子具有波粒二象性,所以形成的电磁波波长不同。

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