天體光譜學[物理學概念]

天體光譜學（astrospectroscopy; astronomical spectroscopy）是天文學使用的光譜學技術。研究天體的電磁輻射光譜，包括可見光，是來自恆星和其它天體的輻射。光譜學可以用來推出遠距離恆星和星系的許多性質，例如它們的溫度、化學組成、金屬豐度，也可以從都卜勒紅移測量它們的運動。

恆星

天體光譜學的開始於艾薩克·牛頓使用散色的三稜鏡觀測太陽光。他看見彩虹的顏色，甚至可能看見了許多的吸收線。約瑟夫·夫琅禾費首次詳細地描述了太陽光譜中的暗線。大多數的恆星光譜都共有太陽光譜中的兩個主要功能：輻射出可見光的光譜（連續光譜）中所有的波長和許多分散的吸收線，造成輻射中的許多縫。

夫琅禾費原始（1817年）太陽光譜中吸收線的名稱：

字母	波長（nm）	化學的來源	顏色範圍
A	759.37	大氣中的O2	暗紅
B	686.72	大氣中的O2	紅色
C	656.28	Hα	紅色
D1	589.59	中性鈉	橘紅色
D2	589.00	中性鈉	黃色
E	526.96	中性鐵	綠色
F	486.13	Hβ	青色
G	431.42	CH分子	藍色
H	396.85	離子鈣	暗紫色
K	393.37	離子鈣	暗紫色

夫琅禾費和安吉洛·西奇是太陽和其它恆星光譜技術的先驅。西奇特別注意到恆星的光譜類型：依據恆星光譜中吸收線的數量和強度分類。後來發現原來的光譜類型的起源和恆星表面的溫度相關：特定的吸收線只能在一定的溫度範圍內觀察到，因為只有這個溫度範圍能與涉及與填充原子的能階。

恆星光譜中的吸收線可以用於確定恆星的化學成分。每個元素在光譜中對應於一組不同波長的光譜，可以在實驗中非常準確的測定這些吸收譜線。然後，對應於特定波長的吸收譜線，顯示必定就是存在著該種元素。個別重要的是氫的吸收譜線（它幾乎在所有恆星的大氣層中都能發現）；在可見光中的譜線被稱為巴爾末線。

在1868年，Sir Norman Lockyer在太陽光譜中觀察到一條在實驗室中從未見過的強黃色譜線。他推斷它們必然是一種未知的元素，它依據希臘神話中的太陽神（Helios）稱之為氦（Helium），而25年之後才在地球上發現氦。

同樣在1860年代，在日食的日冕光譜中也發現了一些沒有已知元素可以對應的譜線（特別是一條綠線），又有人提出這是未知元素的譜線，並暫時命名為冕素（coronium）。而直到1930年代才發現這是因為日冕的高溫使鐵和鎳被高度電離產生的譜線。

原子物理和恆星演化模型的結合，使恆星光譜可以用來確定恆星的許多屬性：它們的距離、年齡、光度、和質量損失比，都可以從光譜的研究估計，而對都卜勒紅移的研究還可以找出隱藏的伴星，例如黑洞和系外行星。

星雲

在望遠鏡天文學的早期，星雲（nebula）這個字是用於描述任何看起來不像一顆星的模糊的光斑。其中有許多，像是仙女座大星雲的光譜，從許多方面看起來像是很多恆星的光譜，於是它轉變成為星系。其它的，像是貓眼星雲，有著非常不同的光譜。當威廉·哈金斯看見貓眼的光譜時，發現它不像太陽的光譜是連續光譜，而只有幾條明顯的發射線，而這些線並不對應於任何地球上已知的元素。就像在太陽鍾發現氦一樣，天文學家建議這些譜線來自一種新元素，（nebulium，有時也會拼成nebulum或nephelium）。這個假設元素的譜線直到1927年才在艾拉·斯普拉格·鮑恩對極低密度下的雙電離氧研究中被發現。亨利·諾利斯·羅素曾形容："星雲是稀薄空氣中的風"，但星雲實際上是極度稀薄，它的密度遠低於人類在地球上所能創造的最高度真空。在這樣的條件下，原子的行為和被壓抑的譜線與在正常密度下非常的不同。這些譜線是所謂的禁線，並且是星雲光譜中最強的譜線。

星系

星系的光譜看起來有點類似恆星光譜，它們是包含成千上萬顆恆星光譜結合成的。星系光譜學引導出許多基本的發現：愛德溫·哈勃在1920年代發現，除了最近的星系（這些是現在所知道的本星系群），所有的星系都遠離地球而去，越遙遠的星系，退行的速度越快（哈勃定律）。這是宇宙起源於一個點的大爆炸學說的第一個跡象。

弗里茨·茲威基對星系團都卜勒頻移的研究，發現大多數星系的移動速度似乎都比星系團的質量所可能提供的速度快。茲威基假設在星系團中還有大量不發光的物質，現在這些被稱為暗物質。

類星體

在1950年代，發現一些強力的無線電源似乎和很暗且很藍的天體相關聯，這些天體被命名為類星體（quasars或Quasi-stellar radio sources）。當首度得到這種天體的光譜，它是一個謎，因為所有的吸收譜線都與已知的元素不符。很快的，就意識到這是普通的星系光譜，但被認為有著高度紅移。依據哈伯定律，這意味著天體的距離非常遙遠，並非常明亮。現在認為類星體是形成中的星系，它們極端的能量輸出來自於超大質量黑洞。

行星和小行星

行星和小行星的光輝只是反射母恆星的光，但是這些反射光還包含岩石天體的礦物，或是氣體巨星存在於大氣層中的元素和分子造成的吸收線。小行星可以依據它們的光譜分為三種主要的類型：C-型是碳物質構成的，S-型包含許多的矽酸鹽，M-型是含有金屬的。C-型和S-型小行星是最常見的。

彗星

彗星的光譜包括包圍著彗星的塵埃反射的陽光，以及氣體的原子和分子被陽光激發和/或化學反應發出的螢光。當太陽風的離子吹拂過中性的彗發時，鄰近地球的彗星還會發射出X射線，但反應的是太陽風的狀態，而不是這顆彗星。已知有許多有機物存在於彗星中，並且也提出彗星的撞擊為地球帶來大量的水造成海洋，和形成生命所需的化學物質。甚至有人認為生命可能是彗星從星際空間帶進來的（泛種論）。

機制

星雲和行星大氣（和地面實驗中的氣體）的吸收光譜中出現的只單純的分子吸收和再發射的特定頻率，如果不是全部，還有遠離觀測者方向的。恆星的吸收光譜是由不同的機制產生的。大多數的星光都來自足夠接近表面使它們可以逃逸的區域，這一層被稱為光球。這些頻率在逃逸出來之前，已經被光球更深層處的分子、原子或離子強烈吸收和釋放。我們所觀察到被吸收的頻率都來自表面淺淺的深度。這淺薄的區域溫度較低，所以來自這兒的譜線是微弱的，因此這些光譜中暗帶的頻率構成外層的特徵。

業餘光譜學

要察看天體光譜並不難，簡單的，家用的DVD攝譜儀就可以用來觀察太陽光譜。但要注意無論是直接或經過反射觀察太陽可以導致暫時或永久性的喪失視覺。必須使用正確的設備，並且兒童要在監督下使用。

最近，業餘的天體光譜學已經復甦。它可以使用數位相機或望遠鏡輕鬆的查看天體的光譜。

廉價的光柵，像是Paton Hawksley Star Analyser或Rainbow Optics Star Spectroscope，都可以用來分析星光。像RSpec這種軟體可以用於繪製曲線。

在2011年，有一本介紹業餘天體光譜學的好書出版。

此外，天空和望遠鏡雜誌也曾經製作了優秀的視頻採訪，說明了如何開始。