從光譜看見星星的指紋:從牛頓到HD星表的星光史

閱讀時間約 5 分鐘

曾經看過犯罪懸疑劇的朋友想必都有看過劇中刑警利用指紋來尋找犯人的橋段。指紋是我們指認出一個人的重要特徵,但你可曾想過在天上閃閃發光的星星也有自己的「指紋」?天文學家又是如何利用這些指紋了解遙遠的星星想告訴我們的事情呢?

人有指紋可以辨識身分,星星也能從光線中找到他的身分

從陽光中分出的七彩光:光譜

三稜鏡能將白光分出七彩色光(攝於臺北天文館)

三稜鏡能將白光分出七彩色光(攝於臺北天文館)

英國物理學家艾薩克‧牛頓(Isaac Newton)將三稜鏡放在陽光下,發現了眼睛所見的白光在經過三稜鏡之後被分析出了7種顏色的光。他在1704年出版的《光學》一書中主張白色的光是由各種不同顏色的單色光組成,每個色光通過玻璃的折射率不同,因此本來混在一起的單色光才被分析出來,而這條被分析出來的色帶就被命名為「光譜」。不過,科學家很快地發現太陽光並不是單純的由各種顏色的單色光組成。

隨著觀測儀器的解析度提升,科學家發現原本應該是由連續單色光組成的太陽光譜,其中出現了不少單色光缺失的暗線。1814年德國物理學家約瑟夫‧夫朗和斐(Joseph von Fraunhofer)透過他的分光儀仔細地研究,成功辨識出太陽光譜中超過570條的暗線,並依照暗線的強弱與順序分別以英文字母命名。暗線所對應的光去哪了?有一次夫朗和斐突發奇想將鈉燃燒產生的光利用分光儀觀察,意外發現鈉光譜中的兩條線與太陽光譜黃色光中的D暗線的波長相同,不過當時他並無法解釋為什麼有這種巧合,直到夫朗和斐實驗的四十多年後才有了初步解答。

夫朗和斐將太陽光譜中的暗線一一標記位置與編號,但他那時還不清楚這些線的意義

夫朗和斐將太陽光譜中的暗線一一標記位置與編號,但他那時還不清楚這些線的意義

光譜中的化學指紋

1850年代德國科學家克希何夫(Gustav Kirchhoff)與本生(Robert Bunsen)兩人在海德堡大學利用本生發明的一種焰光亮度較低的燃燒器(現稱為本生燈),以及新開發的分光鏡開始了光譜分析的研究。他們首先進行氯化鋰燃燒實驗,和夫朗和斐實驗一樣在黑暗的背景中出現了帶有特定顏色的亮線,但當克希何夫讓強烈的太陽光透過氯化鋰的火焰時,卻發現太陽光中與亮線相對應的位置出現了暗線。克希何夫接著利用高熱的石灰產生連續的光譜,在讓石灰的光通過鈉的火焰,結果就在D線的位置出現了和太陽光譜一樣的暗線。

克希何夫和本生使用的分光鏡示意圖,物質藉由本生燈燃燒發光後,光線經由望遠鏡(位置B)、三稜鏡(位置F)後,可從望遠鏡(位置C)看到譜線(圖片取自科學Online)

克希何夫和本生使用的分光鏡示意圖,物質藉由本生燈燃燒發光後,光線經由望遠鏡(位置B)、三稜鏡(位置F)後,可從望遠鏡(位置C)看到譜線(圖片取自科學Online)

克希何夫透過實驗歸納出三個結論:第一、熾熱的固體(如實驗中的石灰)會發出連續性的光譜。第二、熱且稀薄的氣體(如前述實驗中在火焰中氣化的氯化鋰、鈉元素)會放出特定波長的光。第三、熾熱的固體周圍若被比固體冷且稀薄的氣體包圍,其連續性的光譜會在特定波長處出現不連續。這三個光譜型態依序被稱作「連續光譜」、「發射光譜」與「吸收光譜」。

不同的元素燃燒後會產生獨一無二的發射光譜,而帶有連續光譜的強光穿過氣化的元素,則會在與發射光譜一樣的位置出現暗線,因此只要知道該元素的光譜就能分析出物質的成分,反過來也可以從未被識別譜線中找到新元素。兩人在幾個月後果真在瑞士的礦泉水沉澱物光譜中找到了兩條沒看過的藍色譜線,並將發出這兩條藍色譜線的元素命名為「銫(Cesium)」;1868年英國天文學家約瑟夫·諾曼·洛克耶(Joseph Norman Lockyer)亦成功在太陽的色球層中找到當時地球上還未發現的「氦(Helium,取自希臘語中的太陽)」。有了克希何夫的發現,天文學家得以透過恆星光譜知道恆星的化學組成,彷彿指紋一樣鑑定出恆星的身分。

從偏光片的約45度角斜看,可見元素燈不同特徵的發射光譜。圖為氦氣燈所發出的發射光譜(攝於臺北天文館)

從偏光片的約45度角斜看,可見元素燈不同特徵的發射光譜。圖為氦氣燈所發出的發射光譜(攝於臺北天文館)

鑑定恆星身分的光譜型

有了光譜分析這項利器,義大利天文學家西奇(Angelo Secchi)首先在1870年代根據氫、碳、金屬等元素光譜特徵將恆星分成五類。隨後由哈佛天文台台長皮克林(Edward C. Pickering)主持,弗萊明(Williamina Fleming)等多位女性天文學家協助整理資料下,哈佛天文台在1890年出版了第一版的亨利‧德雷伯星表(簡稱HD星表),裡頭將上萬顆的恆星依據各種元素的譜線的強弱及特徵分布將恆星依照英文字母A到P進行分類,無法分類的則分類為Q型,共計17種恆星光譜類型,成為現代恆星光譜分類的基礎。

隨著理論與觀測技術的進展,不僅觀測精確度上升,越來越多的元素譜線也被識別出來。於是,哈佛天文台的安妮‧坎農(Annie Jump Cannon)便考量電離氦、中性氦等元素的譜線特徵,重新將恆星光譜分類分為O、B、A、F、G、K、M型等七類,每個分類再細分成6-10個不等的副分類。字母沿用舊分類的代碼,因此並不按照字母順序排列。透過這些科學家的光譜分析與詳細的資料整理,人們終於可以藉由星光傳遞的訊息,更加了解距離我們極為遙遠的恆星。

參考資料:
維基百科:牛頓、 夫朗和斐譜線古斯塔夫·基爾霍夫赫羅圖恆星光譜
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立臺灣大學化學系林雅凡博士責任編輯,〈十大美麗化學實驗 ─ 克希何夫 (Kirchhoff)、本生 (Bunsen) 開創元素光譜分析〉,2009/8/7刊於科學Online

本文初刊於《臺北星空》第114期,部分更正後收錄於原作之時光土場部落格

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隨著日本進入令和時代,日本國鐵分拆民營化已超過三十年的歲月。這段期間不少國鐵時代的路線與車輛一一退場,成為我這個平成人類未曾參與到的旅行經驗。透過一次又一次的日本旅行,我希望能在旅途中回味那些逝去的鐵道元素,抓住過去的鐵道風景。
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