Как мы узнаем химический состав вещей в космосе?

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.

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.

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".