Editorial Feature

为天文目的开发光谱学:最新研究

光谱学是天文学中用来了解宇宙的主要技术之一。近几十年来,许多令人叹为观止的天文发现源于先进的光谱测量。从不断加速的宇宙膨胀(由未知物理控制)到对太阳系外行星的识别和表征,这些发现只是暗示天文光谱技术和科学进步为未来带来前所未有的新机遇.

空间, 系外行星, 光谱学

图片来源:Jurik Peter/Shutterstock.com

大多数关于太阳系外天体的信息都来自对到达我们的电磁辐射的研究。这种辐射揭示了关于遥远宇宙中天体的大量信息,天文学家无法通过任何其他方式了解到这些信息。

提取该信息的最通用工具之一是光谱学,它涉及将电磁辐射分散为其组成波长(从而获得光谱)。电磁波谱包含有关物体如何与光相互作用或发光的信息,将天文学与原子和分子水平的基础物理学联系起来。

探索恒星光谱

天文光谱学的起源可以追溯到 19 世纪初,当时 WH Wollaston 于 1802 年和 J. von Fraunhofer 于 1815 年发现了太阳光谱中的暗线。太阳大气中的原子或离子。此后不久,同行的科学家们对其他恒星的光谱进行了观察和分析,推测了这些恒星的化学成分和结构,从而奠定了现代天体物理学和天文光谱学的基础。

从最早的设计到现代先进的仪器,天文光谱仪由四个基本组件组成。来自望远镜的光被聚焦到一个狭缝上,该狭缝允许选择要研究的物体(并有助于消除任何杂散光)。接下来,准直器将发散的光束转换为平行光束。光到达色散器(棱镜或反射光栅),在那里分裂成其组成波长。最后,探测器(无论是摄影胶片还是现代 CCD 探测器)捕获光谱以进行可视化和进一步分析。通过光谱学,天文学家可以检查来自宇宙中非常遥远的物体的不同波长的辐射,从单颗恒星到大质量星系,并确定它们的化学成分和年龄,跟踪它们的运动等等。

银河演化的线索

除了揭示某些化学元素的存在外,天文物体的光谱还可以告知其物理特性,例如温度、密度和磁场强度。对 19 世纪末和 20 世纪初成千上万的恒星光谱的仔细分析导致了现代恒星分类系统的发展。

星系光谱将来自数十亿颗恒星的光与星系中所有其他(发射或吸收)物质(例如气体和尘埃)结合在一起。通过检查这些数据,科学家们可以追踪星系演化。在这种情况下,氢光谱起着关键作用,因为宇宙中 90% 的正常物质是氢。在一个星系中,只有最年轻、最热的恒星才能激发周围的氢气发出其特征光谱,因此光谱中氢发射谱线的强弱表明了该星系中存在多少年轻恒星。

映射宇宙中的运动

光谱学可以使用多普勒效应(波长依赖于辐射源和观察者之间的相对运动)来告诉我们天体在空间中的运动。如果恒星或星系正在远离地球,科学家将观察到物体元素发射(或吸收)光谱中的红色光谱偏移。相反,如果物体向观察者移动,其光谱将发生蓝移。偏移越大,物体的径向速度(沿视线)越大。监测氢原子光谱中的多普勒频移使埃德温哈勃在 1929 年确定宇宙正在均匀膨胀。

径向速度测量非常敏感,以至于天文学家用它们来发现新的行星系统和太阳系外行星。围绕恒星运行的行星会在恒星的自转中引起如此轻微的摆动。通过观察恒星的光谱,天文学家可以检测到行星引起的摆动特征的波长偏移。摆动的程度可以揭示行星的大小,而摆动的速率和变化携带有关行星数量及其轨道的信息。

扩展天文光谱的能力

天文学中最重要的进步之一是电荷耦合器件 (CCD) 的开发和使用,作为用于成像和光谱应用的 2D 光子探测器。当用于光谱应用时,CCD 探测器显着提高了现代望远镜的灵敏度和吞吐量。

在过去的二十年中,对提高生产力和数据准确性的持续追求导致了一种称为积分场光谱的技术。该技术是高光谱成像的一种形式,允许将来自多个天文物体的信号输入光谱仪,光谱仪同时为每个物体生成光谱。为了提供有意义的数据,IFS 阵列必须将空间像素彼此分开,以在检测器上产生不重叠的光谱。目前的三种 IFS 设计源自三种不同的技术,使用微透镜阵列、多光纤光导或基于多镜的设计。

许多大型地面望远镜都配备了多个积分场光谱仪(IFS)。下一代太空望远镜,詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST),携带两个在中红外和近红外光谱部分工作的整体场单元。通过提供不同的视野和光谱分辨率,这些多目标阵列使研究人员能够观察不同类型的现象并同时解决许多天文问题。

系外行星探索的挑战

天文学未来面临的重大挑战之一是对类地系外行星的发现和深入分析。第一次回答诸如“宇宙中类似地球的世界有多常见?”等问题。以及“是否有系外行星显示出生命迹象?”触手可及。

迄今为止,已发现 4000 多颗系外行星,研究小组正在迅速推进详细的光谱观测,以表征这些行星的大气层。预计基于空间和地面的调查将探测到更多围绕附近恒星运行的系外行星。即将推出的 JWST 以及大型地面设施有望彻底改变系外行星光谱学。

靠近恒星运行的行星的高分辨率多普勒光谱提供了检测行星大气中化学物质的可能性。此外,高对比度成像和高分辨率光谱的组合可用于大轨道间隔直接成像行星的大气特征。这样的观测可以提供对系外行星大气中广泛的物理过程和化学成分的有价值的见解。

天文学的新概念和未来前景

当前和近期的重大天文仪器项目,如三十米望远镜和欧洲南方天文台的E-ELT项目,都集中在一些最基础的研究课题上,例如解释暗能量和暗物质现象,验证广义相对论,以及现在宇宙的形成和演化(包括恒星、行星和生命的形成)。

光谱学可以通过一些令人兴奋的技术发展对所有这些主题做出重大贡献。当前为多目标观测而设计的许多光谱仪都需要复杂的机制(可移动的狭缝或光纤),这些机制成本高且操作不便。大量的努力致力于创建基于微机电系统 (MEMS) 的更简单且具有成本效益的多目标光谱仪。目前正在为 JWST 的 NIRSpec 光谱仪开发最先进的基于 MEMS 的微快门阵列。

在光学和 X 射线光谱学的背景下,正在开发几种类型的探测器,它们可以测量单独观察到的光子的能量(以及频率)。最后,科学家们计划利用电信行业开发和使用的光子学技术来创建阵列波导光栅 (AWG),从而显着提高下一代天文光谱仪的性能。

参考资料和进一步阅读

Appenzeller, I. (2012) 新发展和未来前景。 In Introduction to Astronomical Spectroscopy(剑桥研究天文学家观测手册,第 224-238 页)。剑桥:剑桥大学出版社。可在 //doi.org/10.1017/CBO9781139059503.011

D.米纳尔迪, 等。, (2020) 天文光子学:天文学和现代光学。 arXiv:2003.12485v2。可在: //arxiv.org/abs/2003.12485v2

Madhusudhan, N. (2019) 系外行星大气:主要见解、挑战和前景。 arXiv:1904.03190v1。可在: //arxiv.org/abs/1904.03190v1

Y. Cendes (2020) 2020 年十年调查:天文学的未来即将揭晓。 [在线的] www.astronomy.com 可在: //astronomy.com/news/2020/08/what-does-the-future-of-astronomy-hold-well-find-out-soon (2021 年 8 月 23 日访问)。

N.约万诺维奇, 等。, (2020) 用于天文学、地球和行星科学的集成光子光谱仪的现状和未来发展",Proc. SPIE 11287, 光子仪器工程七, 112870K。可在: //doi.org/10.1117/12.2546959

免责声明:此处表达的观点是作者以私人身份表达的观点,并不一定代表本网站所有者和运营商 AZoM.com Limited T/A AZoNetwork 的观点。本免责声明构成 条款和条件 本网站的使用。

克维特林·瓦西列夫

撰稿人

克维特林·瓦西列夫

克维特林·瓦西列夫 拥有物理学学位和博士学位,目前正在谢菲尔德大学从事生物物理学家的职业。作为研究科学家,他拥有 20 多年的经验,是应用先进显微镜和光谱技术以更好地理解“软”复杂系统的组织的专家。 Cvetelin 在聚合物科学、生物物理学、纳米制造和纳米生物光子学领域的同行评审期刊(h 指数为 17)上发表了 40 多篇论文。

引文

请使用以下格式之一在您的论文、论文或报告中引用这篇文章:

  • APA

    Vasilev, Cvetelin. (2021, August 24). 为天文目的开发光谱学:最新研究. AZoOptics. Retrieved on September 28, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1984.

  • MLA

    瓦西列夫,克维特林。 “为天文目的开发光谱学:最新研究”。 偶氮光学. 28 September 2021. .

  • 芝加哥

    瓦西列夫,克维特林。 “为天文目的开发光谱学:最新研究”。 AZoOptics. //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1984. (accessed September 28, 2021).

  • 哈佛

    瓦西列夫,克维特林。 2021。 为天文目的开发光谱学:最新研究. AZoOptics, viewed 28 September 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1984.

告诉我们你的想法

您有评论、更新或要添加到本文中的任何内容吗?

留下您的反馈
提交