Спектральный анализ
Астрономы обычно не смотрят на небо через свои
большие телескопы. Большую часть времени большие телескопы собирают свет для
спектрографа, который разлагает свет в радугу.
Явление спектроскопии открыл ещё Исаак Ньютон в XVIII
веке. Направив луч от солнечного света через стеклянную треугольную призму, он
обнаружил, что белый луч Солнца превратился в радугу, похожую на ту, которая
возникает после дождя. Дело в том, что Солнце испускает лучи не какой-то
определённой длины волны, а лучи всего спектра[1] –
и радиоволны, и инфракрасное излучение, и видимое, и ультрафиолетовое, и
рентгеновское. Видимое излучение может иметь разную длину волны - самые длинные световые волны бывают красный
цвет, самые короткие – фиолетовый цвет, а в промежутке между ними – оранжевый,
жёлтый, зелёный, голубой и синий. Ещё до Ньютона голландец Снеллиус открыл закон преломления света – если свет
падает под углом на границу двух разных сред (например, переходит из воздуха в
воду или из воздуха в стекло), то при переходе в другую среду луч света меняет
своё направление (на этом основано и действие линз, применяемых в т.ч. и в
телескопах). Ньютон предположил, что свет разных длин волн отклоняется по разному[2],
но в обычной жизни это не заметно, поскольку разница между длинами волн разных
цветов очень мала. Однако треугольная стеклянная призма позволяет усиливать это
явление. Как оказалось, белый свет действительно состоит из разных цветов,
которые разлагаются в полоску окраски всех цветов радуги, которая называется спектр.
Радуга после дождя появляется точно таким же образом, только в ней роль призмы
играют капельки воды, остающееся в воздухе после
дождя.
Схема опыта Ньютона
Открытие спектрального анализа. Когда чувствительность
оптических приборов усилилась, учёные обнаружили, что на спектрах имеются
тёмные полоски. Первое серьёзное исследование этих линий начал в 1814 году
Йозеф Фраунгофер. В его честь эффект получил название «Фраунгоферовы линии».
Фраунгофер установил стабильность положения линий, составил их таблицу (всего
он насчитал 574 линии), присвоил каждой буквенно-цифровой код. Не менее важным
стало его заключение, что линии не связаны ни с оптическим материалом, ни с
земной атмосферой, но являются природной характеристикой солнечного света.
Аналогичные линии он обнаружил у искусственных источников света, а также в
спектрах Венеры и Сириуса. Но причина появления этих линий тогда была ещё
непонятна.
Следующим стало открытие Кирхгофа и Бунзена.
Началось с того, что было замечено, что в присутствии щелочного металла натрия
всегда выделяются две характерные линии в жёлтой части спектра. И, наоборот,
если в слабое пламя горелки добавить соединения натрия и получившееся пламя
пропустить через спектроскоп[3],
то получаются две яркие жёлтые линии, соответствующие той части спектра, где
были аналогичные тёмные линии.
Спектры излучения и поглощения
В 1859 году он решил пойти дальше и стал
пропускать световые лучи от раскаленных образцов через призму, разлагая их на
наглядный спектр. К тому времени он уже обнаружил, что отдельные ярко
выраженные цвета в спектре раскаленных химических элементов и в частности, натрия и удивительным образом полностью совпадают по
длине волны и частоте с темными линиями Фраунгофера в спектре Солнца. Сегодня
мы знаем, что это следствие поглощения части белого излучения Солнца более
холодными химическими элементами, присутствующими в его внешней оболочке, и
отсутствие в солнечных лучах спектральных линий того же натрия свидетельствует
о его наличии в солнечной короне. Открытие совпадения спектров излучения и
поглощения химических элементов пополнило собой длинный ряд экспериментальных
открытий, далеко не сразу получивших теоретическое объяснение, поскольку во
времена Бунзена было мало известно о механизмах взаимодействии света и атомов
вещества.
В том же 1859 году коллега Бунзена, известный
физик Густав Кирхгоф использовал совпадение спектров излучения и поглощения для
калибровки оптического инструмента. Он пропускал через призму сначала свет от
раскаленного натрия, а затем солнечный свет, добиваясь совпадения спектральных
линий натрия с темными линиями в спектре Солнца. И тут он провел опыт, в
результате которого выяснилось, что, если солнечные лучи пропустить через
окрашенное натрием пламя горелки, темные линии натрия в спектре Солнца
становятся еще более темными и выраженными. Иными словами, выяснилось, что
раскаленный натрий не только испускает свет определенных спектральных частот,
но и поглощает свет тех же длин волн, причем более интенсивно, если источник
излучения разогрет до более высоких температур, чем натрий.
И тут Кирхгоф совершил интуитивный прорыв,
догадавшись, что атом химического элемента способен излучать и поглощать свет
лишь одних и тех же частот. Иными словами, если атом излучает свет какой-либо
частоты, он обязательно способен и поглощать свет этой частоты. (И такая схема
единственная была способна объяснить дальнейшее затемнение линий Фраунгофера в
спектре Солнца: продолжая излучать на своих спектральных частотах, атомы
раскаленного натрия поглощали еще больше энергии излучения на них же.)
Из открытия Кирхгофа незамедлительно следовало,
что темные спектральные линии в солнечном свете убедительно доказывают, что на
Солнце реально имеются химические элементы, которым они соответствуют (натрий в
том числе). Изучение, исходящее из внутренних слоев Солнца, имеет абсолютно белую спектрально-цветовую гамму, то есть изначально
в спектре излучения Солнца присутствуют все без исключения цвета и он непрерывен. А темные линии появляются в
нем в результате поглощения части спектра в поверхностных слоях Солнца и,
следовательно, присутствуют в составе солнечного вещества.
С точки зрения квантовой механики открытие
Кирхгофа и Бунзена объясняется достаточно легко. Мы теперь знаем, что атом
испускает свет квантами при скачке электронов с более высокой орбиты на более низкую. Энергия излучаемых фотонов при этом строго
фиксирована и соответствует разнице между энергетическими уровнями орбит и именно она
определяет частоту и длину световой волны. При поглощении света атомом он,
опять же, поглощается путем «усвоения» электронами фотонов тех же энергий,
которые необходимы для перехода на один уровень вверх. Соответственно, любой
атом имеет в своем спектре фиксированный набор частот излучения и поглощения,
соответствующий энергетическим разностям между электронными орбитами. В этом
контексте открытие Кирхгоффа и Бунзена и
всего лишь дополнительное подтверждение того, что энергии перехода электрона с
верхней орбиты на нижнюю и обратно равны. Это просто
еще одно проявление закона сохранения энергии, аналогичное тому, как,
спустившись на одну ступеньку лестницы вниз, мы теряем ровно столько потенциальной
энергии, проделывая отрицательную работу, сколько мы получаем ее, поднимаясь на
ту же ступеньку вверх и проделывая положительную.
Каждый вид атомов или ионов имеет определенные
особые длины волн, которые он может поглощать или излучать. Атомы холодный
верхних слоев звезды поглощают свет, приходящий от горячих внутренних областей,
создавая темные линии поглощения поперек спектра. Этот эффект можно
использовать для идентификации атомов, из которых состоит звезда.
Образец линий разных химических элементов на длинном спектре
Исследование химических составов звёзд. Ещё в середине XIX
века, буквально
за несколько лет до открытия спектрального анализа, противники научного
материализма утверждали, что человеческий разум неспособен к полному познанию
мира. В качестве примера они утверждали, что «человечество никогда не сможет
определить химический состав Солнца и звёзд». От таких утверждений было
недалеко и до «научного обоснования» религиозных мифов. Открытие спектрального
анализа не оставило от подобных утверждений камня на камне.
Одним из главных и далеко идущих последствий
открытия Кирхгоффа и Бунзена стало то, что это открытие положило начало целой
области прикладных исследований и
спектроскопии, или спектральному анализу. Оно стало настоящей вехой в истории
экспериментальной и прикладной науки. Достаточно упомянуть, что сегодня, изучая
спектры излучения, астрофизики с большой точностью определяют химический состав
не только Солнца, но любого видимого космического объекта во Вселенной, а ведь
когда-то о таком никто не смел даже и мечтать. Сегодня
десятки тысяч научных лабораторий во всём мире оснащены высокотехнологичными
компьютерными спектрометрами и спектрографами, позволяющими изучать состав
любых веществ практически без погрешностей, и
стоимость такого спектрографического оборудования доходит нередко до миллионов
долларов. Интересно, что бы сказали Кирхгоф и Бунзен, сравнив эти приборы со
своими спектрометрами, сооруженными из обычных стеклянных призм и пары пустых
ящиков из-под сигар.
Для проверки метода в 1868 году Парижская
академия наук организовала экспедицию в Индию, где предстояло полное солнечное
затмение. Там учёные обнаружили: все тёмные линии в момент затмения, когда
спектр излучения сменил спектр поглощения солнечной короны, стали, как и было
предсказано, яркими на тёмном фоне.
Природа каждой из линий, их связь с химическими
элементами выяснялись постепенно. В 1860 году Кирхгоф и Бунзен при помощи
спектрального анализа открыли цезий, а в 1861 году — рубидий. А гелий был
открыт на Солнце на 27 лет ранее, чем на Земле (1868 и 1895 годы соответственно).
Открытие гелия. Основная часть
элементов периодической системы Менделеева была открыта в XIX и XX веке. Это
объясняется тем, что большинство из них в природной форме встречается крайне
редко и, чтобы их обнаружить (или получить), нужен определенный уровень
развития техники. У каждого элемента своя история открытия. Пожалуй, наиболее поучительная — у гелия, ведь вплоть до конца 1930-х годов
ученые не могли окончательно опровергнуть предположение, что где-нибудь во
Вселенной могут существовать химические элементы, которых нет на Земле. Если бы
это оказалось правдой, был бы подвергнут сомнению один из главных принципов
современной науки, согласно которому все известные нам в настоящее время законы
природы действовали и будут действовать всегда и во
всех точках Вселенной (в этом состоит принцип Коперника).
Ключевую роль в истории открытия гелия сыграл Норман Локьер, основатель одного
из передовых мировых научных изданий — журнала Nature.
В 1868 году, исследуя свет, излучаемый атомами в протуберанцах — огромных
выбросах плазмы с поверхности Солнца, — Локьер
заметил ряд прежде неизвестных спектральных линий (см. Спектроскопия). Попытки
получить такие же линии в лабораторных условиях окончились неудачей, из чего Локьер сделал вывод, что он обнаружил новый химический
элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».
Ученые недоумевали, как им отнестись к появлению
гелия. Одни предполагали, что при интерпретации спектров протуберанцев была
допущена ошибка, однако эта точка зрения получала все меньше сторонников,
поскольку все большему количеству астрономов удавалось наблюдать линии Локьера. Другие утверждали, что на Солнце есть элементы,
которых нет на Земле — что, как уже говорилось, противоречит главному положению
о законах природы. Третьи (их было меньшинство) считали, что когда-нибудь гелий
будет найден и на Земле.
В конце 1890-х годов лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай провели серию опытов, приведших к открытию аргона. Рамзай переделал свою установку, чтобы с ее помощью
исследовать газы, выделяемые урансодержащими минералами. В спектре этих газов Рамзай обнаружил неизвестные линии и послал образцы
нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер
сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном
свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он
существует также и здесь, на Земле. В наше время этот газ больше всего известен
в обычной жизни как газ для надувания дирижаблей и воздушных шаров, а в науке —
благодаря его применению в криогенике, технологии достижения сверхнизких
температур.
Вопрос о том, есть ли где-нибудь во Вселенной
химические элементы, которых нет на Земле, не потерял свою актуальность и в XX
веке. При исследовании внешней солнечной атмосферы — солнечной короны,
состоящей из горячей сильно разреженной плазмы, — астрономы обнаружили
спектральные линии, которые им не удалось отождествить ни с одним из известных
земных элементов. Ученые предположили, что эти линии принадлежат новому
элементу, который получил название короний. А при
изучении спектров некоторых туманностей — далеких скоплений газов и пыли в
Галактике — были обнаружены еще одни загадочные линии. Их приписали другому
«новому» элементу — небулию. В 1930-е годы
американский астрофизик Айра Спрейг
Боуэн (Ira Sprague Bowen, 1898–1973) пришел
к выводу, что линии небулия на самом деле принадлежат
кислороду, но приобрели такой вид из-за экстремальных условий, существующих на
Солнце и в туманностях, причем условия эти не могут быть воспроизведены в
земных лабораториях. Короний же оказался сильно
ионизированным железом.
Эффект Доплера. Однако спектральный
анализ может применяться не только для изучения химического состава небесных
тел. Его применение в сочетании с эффектом Доплера позволяет определять
скорости небесных тел, которые невозможно определить другими способами.
Эффект Доплера состоит в том, что у любой волны
(неважно, звуковой, световой иди какой-либо другой) длина волны уменьшается в
случае, если источник волны приближается к наблюдателю, и, наоборот, увеличивается,
если источник волны удаляется от наблюдателя. Простейший пример из жизни,
иллюстрирующий данный эффект – когда мимо вас проезжает поезд со включенным сигналом, то, когда поезд приближается к вам,
звук сигнала кажется более высоким («свистящим»), а когда поезд удаляется, то
звук сигнала кажется более низким («гудящим»).
Заметить эффект Доплера
для световых волн невооружённым глазом невозможно, т.к. скорость света намного
больше скорости любых других движущихся тел. В книге Я.Перельмана
«Занимательная физика» приводится случай, когда сотрудник ГАИ остановил
водителя, проехавшего на красный свет, а нарушитель в своё оправдание сослался
на эффект Доплера – будто бы при движении с большой скоростью длина световой
волны от светофора уменьшается и красный свет превращается
в зелёный. Как показывает Перельман, в
действительности эта попытка оправдания не действует – чтобы красный свет
превратился в зелёный, для этого автомобиль должен двигаться со скоростью 37,5
тысяч километров в секунду[4].
Но зато явление Доплера для звёзд можно видеть с
помощью спектрального анализа. Если характерные спектральные линии элементов в
спектре той или иной звезды сдвинуты от своего положенного им места, то это
значит, что звезда движется по отношению к нам. Чем сильнее отклонение
спектральных линий, тем больше скорость движения. Если звезда приближается к
нам, то линии сдвигаются в сторону фиолетовой части спектра, а если удаляется
от нас – то в сторону красной части спектра (для этого случая существует
специальный термин – «красное смещение»).
Иногда при наблюдении звезды бывает, что сначала
линии в её спектре смещаются в одну сторону, а через какое-то время – в другую,
а затем всё опять повторяется через определённый период времени. Это означает,
что обнаружена двойная звезда. Иногда даже в самый
сильный телескоп невозможно определить, что одна звёзда состоит из двух,
вращающихся между собой, а с помощью спектрального анализа это можно
определить. С ростом точности средств наблюдения в XXI веке с помощью такого
метода удавалось открывать не только двойные звёзды, но и вращающиеся вокруг
звёзд планеты.
Ещё одно открытие, связанное с использованием эффекта
Доплера, сделал в 1920-е годы американский астроном Эдвин
Хаббл. Изучая спектры далёких галактик, он обнаружил во всех этих спектрах
сильное красное смещение, т.е. все галактики удаляются от нас. Узнать
расстояние до некоторых из этих галактик удалось с помощью цефеид (особого типа
переменных звёзд). И оказалось, что чем дальше галактика от нас – тем выше её
красное смещение, т.е. тем сильнее она удаляется от нас. В современной астрономии
понятие красного смещения применительно к далёким галактикам рассматривается
как синоним единицы расстояния. Так могло происходить только в том случае, если
Вселенная расширяется. Так была подтверждена открытая за несколько лет до того
советским физиком А.Фридманом теория Большого взрыва.
Вопросы и задания
1. Что
такое преломление света и спектр?
2. Кто были
открывателями спектрального анализа? В чём вклад Снеллиуса,
Ньютона, Фраунгофера, Бунзена и Кирхгофа?
3. Каким
образом с помощью спектрального анализа определяются химические элементы?
4. В чём разница между спектрами излучения и спектрами поглощения?
5. Как был
открыт гелий?
6. В чём
состоит эффект Доплера? Как с его помощью открывают двойные звёзды и экзопланеты?
7. Что такое
красное смещение? Какую роль изучение этого явления сыграло в астрономии?