2020年9月，太阳系的另一颗行星抢走了火星的风头，吸引了科学界和主流媒体的关注。原因是一个国际研究小组在一篇论文中写道:磷化氢气体是在金星的大气中发现的。本文发表在网络期刊《自然》上·在天文学中。由于厌氧生态系统产生磷化氢，本文的发现让人们开始猜测和讨论金星生命的可能性。

然而，除了关于磷化氢是否能暗示外星生命的争论外，本文还带来了其他一些基本问题。例如，科学家们是如何从地球上了解金星大气中的化学物质的？

幸运的是，当天体发出的光进入望远镜时，它不仅可以创造精彩的图像，还可以携带天体的组成信息。帮助我们了解天体组成信息的研究被称为天体光谱。

早期天文学

早在有历史记载之前，人类就对宇宙充满了好奇。早期的人类和他们的洞穴绘画让我们对他们的天文学略知一二。人们经常看着天空深思，写下各种天文观察，比如用数学预测日月食，用肉眼识别星座。总之，天上的星星总是让我们着迷。

在17世纪，当伽利略用他的小望远镜(早期望远镜)进行天文学研究时，人们只能用肉眼观察天空。尽管荷兰眼镜匠汉斯·李普希发明了折射望远镜，但伽利略是第一个用望远镜观察天文学的人。突然，他能看到月球上的陨石坑、太阳上的黑点、土星环、木星卫星等。伽利略不知道的是，在未来，人类将能够在地球上分析宇宙中的化学物质。

1814年，慕尼黑玻璃匠约瑟夫·夫朗和费发明了一种带有经纬仪（精密光学仪器）的望远镜。因此，他成为第一位研究不同天体（如月球、太阳、其他行星、恒星等）光谱的天体光谱学家。

然而，罗伯特是第一个将光谱线与天体化学性质联系在一起的人·基尔霍夫和罗伯特·本森。这两个人是现代光谱分析或光谱的创始人。他们不仅确定了光谱的预测性质，还利用自己的技术发现了两种新元素—— 铷和铯。

时光飞逝。现在，我们可以结合望远镜和光谱仪的功能来分析天体的化学成分。即使是银河系以外的天体，我们也可以分析它们的化学成分。

在我们深入了解光谱之前，我们不妨快速回顾一下光的属性。光是以波的形式传播的能力。它是一种电磁辐射（电磁波）的形式，包括无线电波到伽马射线。我们的肉眼只能看到其中的一部分（很小的可见光范围）。这些辐射的类型因波长或频率而异。

电磁波频谱

现在，让我们来谈谈光谱和光谱。

频谱是什么？

频谱是光（电磁波）与其他物质相互作用时而产生的图案。例如，当太阳和雨滴相互作用时，我们可以看到彩虹。频谱是独一无二的，取决于电磁波的类型和相互作用的物质属性。如果我们知道光谱和光类型的信息，我们可以很容易地推断出与上述光相互作用的物质类型。这就是光谱学的作用：允许我们分析光谱，并追溯到确定光谱源。

什么创造了光谱？

虽然肉眼看不见，但整个世界在原子层面都有自己的运动节奏。我们所知道的一切都是由原子组成的。原子中的电子不断像波浪一样振动（成为量子物体）。但当它们以一种独特的方式相互作用时，它们就会以一种独特的方式相互作用。

不干扰原子中的电子处于基态。当外部能量以光（或热）的形式击中它们时，电子会吸收能量并转移到刺激状态。然而，电子不喜欢刺激状态，总是想回到基态；因此，它们会释放以前吸收的能量。这种吸收和释放能量的过程创造了频谱。

什么是光谱学？

吸收和释放的能量与物质的分子组成密切相关。例如，钠原子电子吸收的光频率与碳原子电子吸收的光频率完全不同。同样，氧释放的光也与磷化氢完全不同。

钠的可见光发射光谱

碳的可见光发射光谱

离散频率的光吸收或光释放创造了化学图谱或图案，这些光图案的研究也被正式命名为光谱。

接下来是天体光谱。天体发出的光与望远镜相遇，并通过一个小开口进入望远镜。光谱仪的内部是准直镜（将所有进入光谱仪的光转化为平行光的抛物镜）。平行光继续进入带有衍射光栅的镜子（玻璃表面有细微划痕的镜子）。

光栅就像一个喜欢根据颜色区分的人M&M’s巧克力豆的人。光栅可以分离出光的不同成分，并根据其波长分配单独的通道，最后在另一面镜子上形成频谱。然后，电子耦合组件（光敏表面）检测到镜子上形成的频谱，然后将其转换为数字频谱。

然后，我们将数字频谱与人类已知的不同化学物质的光谱数据进行比较。这种分析有助于科学家确定发射光的天体的化学性质。

光谱数据除了提供宇宙中物体的化学组成信息外，还可以告诉我们这些物体的类型、周围环境和其他运动类型。

如果光直接来自某一个热源，如恒星、行星或星云，我们会看到一个连续频谱。云聚集在大多数行星和恒星周围，通常低于光源。然而，这些气体会吸收光源辐射的部分光频率。因此，当辐射的光通过云被我们的望远镜接收时，吸收的频率在生成的频谱上会更暗。这类光谱被称为吸收光谱或暗线光谱。

另一方面，如果我们观察周围的气体而不是光源，我们会看到被吸收的频率在生产的频谱上变成明亮的频谱。这种光谱被称为发射光谱或光谱。

光谱类型

我们都听说宇宙在膨胀。这意味着有些物体远离我们，而另一些物体靠近我们。这种运动可以通过频谱中的偏移来确认。例如，科学家们已经掌握了氢原子的发射光谱线形状，它们被认为相对于地球静止的恒星。然后，我们可以将这个频谱与其他天体的氢原子发射光谱进行比较。

如果天体远离我们，那么它的氢原子光谱向频谱上的深红色区域（或波长较长的区域）移动。这被称为红色移动。如果天体靠近我们，它的谱线将移动到频谱深蓝色区域（或波长较短的区域）。别想了，这叫蓝色移动。波长的可观测偏移称为多普勒频移。

多普勒频移

光谱线就像连续的礼物。除上述讨论外，光谱线还可以向我们透露不同天体的密度、温度和磁场。

结论

人类一直对夜空充满好奇。有一次，我们用肉眼盯着夜空中闪烁的星星；到目前为止，我们可以用哈勃望远镜拍摄距离我们250万光年的仙女星系图像。每天，我们都关注更深远的空间，试图理解宇宙的组成，探索地球之外的奥秘。就像卡尔一样·萨根说:在某个地方，一些不可思议的事情正等着我们去理解。(匀琳)