版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請聯(lián)系我們

今年3月30日，世界著名的科學雜志《自然》發(fā)布了一篇文章，聲稱NASA（美國航天局）利用哈勃望遠鏡發(fā)現(xiàn)了一顆迄今最遙遠的恒星，編號為WHL0137-LS，被命名為Earendel，寓意是“晨星”或“旭日之光”。

研究認為，這顆恒星距離我們約129億光年，質(zhì)量約有太陽的50倍以上，是一顆巨大的藍星。在此之前，最遠的恒星是2018年發(fā)現(xiàn)的MACS J1149 + 2223 Lensed Star-1（簡稱LS1），別名伊卡洛斯，距離我們約93億光年。

這些恒星都是通過引力透鏡放大效應才被發(fā)現(xiàn)的，雖然很模糊，但科學家們也能夠從一點星光中發(fā)現(xiàn)其身份信息。許多距離在億萬光年的恒星，科學家們都能夠?qū)⑵淝闆r娓娓道來，如數(shù)家珍。那么，科學家們是如何知道了這些恒星的信息呢？

原來科學家們有許多的科學方法，探知這些遙遠恒星的秘密。其中很重要的一個方法，就是分析恒星光譜。恒星光譜可以披露出恒星很多深層的秘密，沒有兩顆恒星具有完全一模一樣的光譜，因此恒星光譜被譽為恒星的指紋。

科學家們正是掌握了恒星的這種“指紋”，才能夠了解遙遠恒星的基本參數(shù)和細節(jié)。我們一起來學習了解一下。

光譜指紋是如何形成的/

我們知道，每個人都有不同的指紋，這個世界上沒有兩枚完全相同的指紋。正是如此，人們就可以通過一個人留下的指紋信息，在70多億人口中找到這個人。

但如果說恒星也有指紋，許多人當然不信。恒星是一個巨大的火球，怎么可能長出指紋呢？這種說法沒錯，但這里說的指紋并非真正的指紋，而是類似指紋這種能夠辨別信息的方法。在人類中，指紋常常與一個人身份信息相關，通過指紋比對，就可以了解這個人的性別、年齡、出生地、民族、信用狀況等等信息，因此指紋也類似身份證。

恒星也是一樣，由于每顆恒星誕生的環(huán)境、時間、物質(zhì)組成、質(zhì)量大小、演化過程、距離遠近都不一樣，導致發(fā)出的光就有差別，而恒星光譜就能把這些差別細微的刻畫出來，從而形成了恒星的“指紋”。

光譜，就是光的顏色和譜線。我們?nèi)搜劭吹降墓饨锌梢姽?，是復合光，如太陽光由紅橙黃綠青藍紫等顏色組成，由于不同顏色的光具有不同的波長和折射率，通過棱鏡時就會發(fā)生色散，將各種不同顏色的光分離出來。

可見光波長約在380~780納米之間，以紫光波長最短，紅光波長最長，能量則與波長成反比?？梢姽馐请姶挪ㄗV中一小段，電磁波除了有可見光，還有不可見光，如無線電、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。

光波是由于原子運動過程中電子產(chǎn)生的電磁輻射，不同物質(zhì)的內(nèi)部電子，以及這些電子在不同能量下運動情況是不一樣的，因此不同物質(zhì)在不同狀態(tài)下發(fā)射的光波就不同?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的宇宙元素有118種，每種元素發(fā)出的光波都是不一樣的。

光譜中會有光譜線，是指均勻連續(xù)光譜中的暗線或亮線，每種原子都有自己的特征譜線，因此，通過光譜線特征就可以鑒別出是什么原子或分子發(fā)出的光。光譜線遵從基爾霍夫定律，即每一種化學元素在高溫下，都能產(chǎn)生輻射而發(fā)出獨特的明線光譜；在低溫時，則吸收自己能夠發(fā)出的這些輻射，從而使光譜中的明線變成暗線。

科學家們在實驗室獲得各種元素在各種條件下發(fā)生的光譜樣本，有了這些樣本，與采集到的各種光源光譜對照分析，就能夠得到這些光源是什么元素發(fā)出，及其各種元素的豐度（比例）。這就是科學家通過恒星光譜分析，就能得到恒星狀態(tài)的原因。

通過恒星光譜分析，還能知道恒星的大小和壽命/

科學家們通過對恒星的長期觀測，發(fā)現(xiàn)了一個規(guī)律，就是質(zhì)量越大的恒星，光度越高，表面溫度也越高，這樣就能夠通過一顆恒星的亮度，來推測恒星質(zhì)量的大小了。

最常用的恒星光譜分類系統(tǒng)是美國哈弗大學天文臺在十九世紀末提出的，稱為哈佛系統(tǒng)，這個系統(tǒng)將恒星光譜分為O、B、A、F、G、K、M等類型，每個光譜型又分為10個次型，以阿拉伯數(shù)字0~9標注。

不過現(xiàn)在觀測到的恒星，最熱的星為O5，最暗的星為M5，這樣O型只有6小類，M型只有5小類，暫時就只觀測到61小類。

O型光譜恒星是指大于太陽質(zhì)量20~150倍以上的恒星，呈現(xiàn)藍色，其表面溫度達到25000~55000K，絕對亮度是太陽的20萬~500萬倍。這種巨型恒星在銀河系存在很少，約占恒星總數(shù)約0.00003%左右。

M型光譜恒星是指最小的恒星紅矮星，質(zhì)量在太陽的0.4倍以下，最小的只有太陽質(zhì)量的0.08倍，表面溫度2000~3500度。這種恒星是銀河系的主流恒星，占據(jù)了恒星總數(shù)約76.45%。

太陽屬于G型光譜，這個光譜型恒星包括0.8~1.2倍太陽質(zhì)量的恒星，呈現(xiàn)黃色，因此又叫黃矮星，表面溫度在5000~6000度之間，在銀河系約占有7.8%的比重。太陽就是一顆黃矮星，質(zhì)量為1.9896*10^30千克。

恒星光譜還有一些其他的分類方法和類型，這里就不展開說了。

恒星壽命是與質(zhì)量成反比的，也就是質(zhì)量越大的恒星，由于其內(nèi)部溫度和壓力極高，導致的核反應就越激烈，燃燒得就越快，消耗的燃料就越大，因此壽命就越短；反之壽命就越長。因此，科學家們通過對恒星光譜分析，得到恒星質(zhì)量大小，由此又能夠得到恒星壽命長短。

經(jīng)過對恒星光譜里面的元素比例分析，各種元素的豐度，就可以得到恒星演化到了哪個階段，還有多久的生存期了。這是因為恒星從一誕生，就在源源不斷地進行著核聚變，使恒星元素組分不斷發(fā)生變化。

因此，在恒星演化的不同階段，光譜中的元素豐度是不一樣的，通過分析恒星光譜知道了恒星各種元素的豐度，就知道了恒星演化大致到了哪個階段，從而得出其年齡。這有點像對人類年齡的了解，醫(yī)生知道了人類在什么年齡段的骨密度、機體組織狀態(tài)等指標，通過看檢查單化驗單就大致知道這個人的年齡了。

從恒星光譜還能得到恒星與我們的距離/

從恒星光譜得到恒星與我們的距離有兩個常用方法：一是通過恒星的絕對星等與目視星等換算，得出恒星距離；二是通過恒星的光譜紅移量或藍移量計算出恒星距離。

絕對星等和目視星等都是恒星亮度的衡量指標，都以數(shù)值表示，數(shù)值越大則表示越暗，反之越亮，還有負數(shù)，負得越多恒星就越亮。每一個等級亮度相差2.512倍，因此等級之間的亮度差就是2.512倍的指數(shù)。如1等星與6等星之間差5等，亮度就相差2.512的5次方倍，約為100倍。

絕對星等是恒星的絕對亮度，理論上是將恒星放在10秒差距的同一起跑線上來對比其亮度，因此絕對星等是恒星的真實亮度。秒差距是宇宙天體距離單位，1秒差距約3.26光年，10秒差距就是32.6光年。

目視星等簡稱視星等，是人類肉眼看到恒星亮度的感受（包括望遠鏡看到亮度的換算）。由于恒星有遠有近，人眼看到的亮度就不能代表恒星的真實亮度，絕對亮度更大的恒星，由于距離更遠，看起來會反而更暗；而絕對亮度不大的恒星，由于其距離很近，卻會更亮。

比如太陽的絕對星等為4.83等，目視星等為-26.74等；天狼星A的絕對星等為1.42等，目視星等為-1.47等。從這兩顆恒星的絕對星等比較，天狼星比太陽要亮300多倍，但目視亮度天狼星與太陽就完全無法比較了。

太陽巨大遙遠令人無法直視，天狼星只是一顆星星，太陽的目視星等亮度比天狼星大128億倍。這是因為太陽距離我們只有1.5億千米，而天狼星則有8.6光年，是太陽距離的6萬多倍。如果將天狼星移至太陽位置，其亮度將達到-33等，依然是太陽的300多倍。

絕對星等與視星等之間的換算關系公式為：m=M-5log(d0/d)或M=m+5log(d0/d)。前面公式是已知絕對星等換算出目視星等，后面公式是已知目視星等換算出絕對星等。式中，m表示目視星等，M表示絕對星等，d0為10秒差距（32.6光年），d為天體實際距離。

從公式里，我們還可以看出，絕對星等與目視星等的關系與距離成比例關系，這樣既然從光譜類型可以得到恒星的絕對星等，又可以通過肉眼或望遠鏡確定恒星的視星等，就能換算出恒星與我們的實際距離了。

光譜紅移或藍移法，基于凡是以波方式運動的物體，都有一個多普勒效應。就是波源向我們靠近時，波長會被壓縮縮短，頻率會變高；反之波長會被拉長，頻率變低。對于光波來說，紅光的波長更長，籃紫光的波長更短，因此光波波源遠離我們的時候，光譜線就會向紅端移動；反之向藍紫端移動。

這就叫光譜的紅移和藍移。紅移說明光源正在遠離我們，藍移說明光源正在靠近我們?？茖W家們通過測量恒星光譜的紅移或藍移值，就能夠得到這顆恒星離開或靠近我們的速度有多快。

紅移和藍移值與速度呈正比例關系，值越大，說明速度越快。

現(xiàn)代標準宇宙模型理論認為，宇宙正在膨脹，且各向同性，遠方的星系和恒星都在遠離我們而去，速度與距離成線性正比，就是越遠的星系離開速度越快，發(fā)現(xiàn)這個規(guī)律的天文學家埃德溫·哈勃創(chuàng)立了哈勃定律，表述為：V= H*D。

這個公式里的V表示遠方星系離開我們的速度，H為哈勃常數(shù)，D為星系與我們實際距離。由此，如果從光譜紅移得到恒星離開我們的速度，就能通過哈勃常數(shù)計算出恒星與我們的距離。

哈勃常數(shù)是指在百萬秒差距位置，星系離開我們的速度。歐空局在2013年通過普朗克衛(wèi)星測得的哈勃常數(shù)為67.80千米/秒，也就是在326萬光年的地方，星系以每秒約67.8千米的速度遠離我們。

這樣通過紅移值計算出某顆恒星離開我們的速度為每秒1000千米，根據(jù)哈勃定律，可以計算出這顆恒星距離我們?yōu)椋?000/67.8*3260000≈4808萬光年。

不過利用光譜紅移計算距離只適用于326萬光年以上的距離，因為宇宙膨脹是在大尺度范圍的膨脹，在小尺度范圍，宇宙膨脹效應不明顯，天體主要還是受引力約束，還會相互靠近。如仙女星系與銀河系就由于相互巨大引力而以每秒約300千米速度靠近，預計在30~40億年之間會發(fā)生碰撞融合。

總之，恒星光譜是每顆恒星的指紋和身份證，其中蘊含著許多恒星信息?？茖W家們通過對恒星光譜的分析，就能夠給每一顆恒星建立身份檔案。

歡迎掃碼關注深圳科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！