天黑时，我们仰望天空，可以看到无数的星星正在眨着眼睛看我们（当然，雾霾天、多云的时候我们是看不到的）。那么星星是什么样的呢？它们之间有什么不同呢？从最开始伽利略发明了望远镜，人们就开始不断改造观测设备，用来研究更远、更多的天体。可是对于遥远的天体，我们该怎么研究呢？最直观的想法就是从天体的位置和发出的光来研究。下面我们就来看看如何通过光来研究它们吧。

  首先，现代望远镜都是通过电子元件（CMOS，CCD等）把光转换成数字信号，这样做的好处是可以探测更暗的天体。左侧是我们肉眼看到的天空，右侧则是望远镜看到的天空。4米的光谱望远镜可以观测到比人眼看到最暗的星还要暗40万倍的（人眼最暗可以看到6等星，望远镜按照19等算）。

  得到了星光之后，我们就需要对光进行色散。就如同雨后的彩虹把阳光散成各种颜色一样，我们能够得到星光在不同波长处的流量。我们生活中的每一种颜色都对应着特定的波长，比如红色光的波长约为625-740纳米、绿色光的波长约为500-565纳米、蓝色光的波长约为485-500纳米。经过这波操作之后，我们看到的一闪一闪的星光就变成了下面这个样子。

光谱来自于郭守敬望远镜（LAMOST dr6）

  我们将其称之为光谱。是不是有点股票走势图的感觉？科学家们通过分析发现，恒星光谱中最高的地方的波长与这颗恒星的温度非常相关，最高点越偏向蓝端，星也越热。相反，最高点越偏向红端，星的温度也就越低。我们的太阳温度大约为5778K（K代表温度单位开尔文）。上图是一个高温星和一个低温星的光谱。

  我们发现光谱不仅能告诉我们星星的温度，还可以告诉我们更多的信息。每个恒星的光都是它的内核通过核聚变产生出来的，光在向外辐射过程中，会经过厚厚的、没有参与聚变反应的恒星大气，大气中的原子、分子会选择它们喜欢的特定波长的光吸收掉，这就形成了光谱中的吸收线和吸收带。我们不但可以根据光谱中吸收线对应的波长，判断出是什么原子、分子吸收掉了光，还可以根据吸收线的深度和宽度来判断恒星大气的成分。

  而利用光谱的谱线，还可以得到恒星的速度和星系的距离。那怎么利用谱线测量呢？在说明之前我们要先介绍一个知识点：多普勒效应（如下图）。

  多普勒效应是指光的波长会随着星星朝向我们的速度发生改变。当星星朝我们飞行的时候，光的波长会往蓝色方向移动；当星星远离我们的时候，光的波长会朝红色的方向移动。那么我们就可以通过测量谱线偏移了多少来计算星星的移动速度。我们把这个沿着我们视线方向移动的速度称之为视向速度或者红移（对于恒星我们用视向速度，对于星系我们用红移表示）。

  现在如何利用谱线测量恒星速度我们大概知道了，那么怎么测量星系的距离呢？因为我们的宇宙在膨胀，越远的天体会越快速的远离我们，我们就可以通过天体远离我们的速度来估算它们的距离了。而这个速度，就是我们上面提到的红移。其实，通过光谱我们还可以了解星星更多的信息。每当我们对宇宙有了新的发现的同时，更多的未知就会摆在我们面前。让我们一起努力吧！

作者简介

宋轶晗，国家天文台高级工程师。研究方向为一维、二维光谱处理与分析。

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