據國外媒體報導，2020年9月，太陽系中的另一顆行星搶走了火星的風頭，吸引了科學界和主流媒體的關注。原因在於，一國際研究小組在一篇論文中寫道：“金星的大氣中發現了磷化氫氣體。”這篇論文發佈於在線期刊《自然·天文學》上。由於厭氧生態系統可產生磷化氫，這篇論文的發現讓人們不由地開始猜測和討論金星上存在生命的可能性。

但是，除了關於磷化氫是否能暗示有外星生命存在的爭論之外，這篇論文還帶來了一些其他的基本問題。比如，科學家是如何從地球上了解到金星大氣中的化學物質的？

幸運的是，天體發出的光進入我們的望遠鏡之後，不僅可以創造出精彩的圖像，也攜帶了這些天體的構成信息。幫助我們了解天體構成信息的研究，叫做天體光譜學。

早期天文學

早在有歷史記載之前，人類就已經對宇宙充滿好奇。早期的人類和他們的洞穴繪畫讓我們對他們的天文興趣略知一二。人們時常望著天空深思，記下各種天文觀測，比如用數學預測日月食，用肉眼識別星座等。簡而言之，天上的星星總是令我們著迷。

在十七世紀，當伽利略用他的小望遠鏡（早期望遠鏡）做天文學研究之前，人們只能用肉眼觀察天空。雖然荷蘭眼鏡匠漢斯·李普希發明了折射望遠鏡，但伽利略才是第一個使用望遠鏡觀測天文的人。突然之間，他可以看到月球上的隕石坑、太陽上的黑點、土星環、木星衛星等等。伽利略所不知道的是，未來，人類將可以在地球上，足不出戶，分析宇宙中的化學物質。

1814年，慕尼黑的玻璃匠約瑟夫·夫瑯和費發明了分光儀，即一種裝有經緯儀（精密光學儀器）的望遠鏡。他因此成為第一位研究來自不同天體（如月球、太陽、其他行星，以及恆星等）光譜的天體光譜學家。

然而，最早將光譜線和天體的化學性質聯繫在一起的人則是羅伯特·基爾霍夫和羅伯特·本森。這兩人是現代光譜分析學或光譜學的奠基人。他們不僅確定了光譜的預測性質，還使用他們的技術發現了兩種新元素—— 銣和銫。

時間快進到今天。如今，我們可以將望遠鏡和光譜儀的功能相結合，來分析天體的化學成分。哪怕是銀河系之外的天體，我們也可以分析它們的化學組成。

在我們深入了解光譜學之前，我們不妨先快速溫習一下的光的屬性。光是一種以波的形式傳播的能力。它是電磁輻射（電磁波）的一種形式，範圍包括無線電波到伽馬射線。而我們的肉眼只能看見其中一部分（很小的可見光範圍）。根據波長或頻率的不同，這些輻射的類型也不同。

電磁波頻譜

現在，讓我們來開始聊聊光譜和光譜學。

什麼是頻譜？

頻譜是光（電磁波）與其他物質相互作用時而產生的圖案。比如，太陽光與雨滴相互作用時，我們可以看到彩虹。頻譜是獨特的，並且取決於電磁波的類型以及與之相互作用的物質屬性。如果我們知道光譜和光類型的信息，我們可以輕鬆推斷出與上述光相互作用的物質類型。這就是光譜學的作用：允許我們分析光譜，並回溯以確定光譜源。

什麼創造了光譜？

雖然肉眼看不見，但整個世界在原子層面上都有自己的運動節奏。我們所知的一切皆由原子組成。原子中的電子不斷地像波浪一樣振動（成為量子物體）。但光撞擊這些電子時，它們會以獨特的方式進行相互作用。

未擾動原子中的電子處於基態。當外部能量以光（或熱）的形式撞擊它們時，電子會吸收能量躍遷到激發態。然而，電子並不喜歡激發態，總是想要回到基態；因此，它們會釋放先前吸收的能量。這一吸收和釋放能量的過程，造就了頻譜。

什麼是光譜學？

在躍遷至激發態和返回基態過程中吸收和釋放的能量與物質的分子組成息息相關。例如，鈉原子電子吸收的光頻率和碳原子電子吸收的光頻率完全不同。同樣地，氧釋放的光與磷化氫釋放的光也完全不同。

鈉的可見光發射光譜

碳的可見光發射光譜

離散頻率的光吸收或光釋放造就了化學圖譜或圖案，而對這些光圖案的研究也被正式命名為光譜學。

接下來就是天體光譜學。天體發出的光遇上望遠鏡，並通過一個小小的開口進入到望遠鏡上的光譜儀。光譜儀的內部是准直鏡（將所有進入光譜儀的光轉化為平行光線的拋物面鏡）。平行光線繼續來到帶有衍射光柵的鏡子（玻璃表面帶有細微划痕的鏡子）。

光柵就像一個喜歡根據顏色區分M&M’s巧克力豆的人。光柵可以分離出光的不同成分，並根據其波長為它們分配單獨的通道，最後在另一個鏡面上形成頻譜。接著，一個電子耦合組件（光敏表面）檢測到鏡面上形成的頻譜，然後將其轉換為數字頻譜。

然後，我們再將該數字頻譜與人類已知的不同化學物質的光譜數據進行比較。該分析有助於科學家確定，發射這種光的天體的化學性質。

除了提供宇宙中物體的化學組成信息之外，光譜數據還能告訴我們這些物體的類型、周圍環境和其它們表現出的運動類型。

如果光直接來自某一個熱源，如恆星、行星或星雲，我們會看到一個連續頻譜。大多數行星和恆星周圍聚集著雲氣，這些氣體通常比光源的溫度更低。但是這些氣體會吸收光源輻射出的部分光頻率，因此當輻射出的光經過雲氣再被我們的望遠鏡接收到之後，被吸收的頻率在生成的頻譜上將顯得更暗。這類光譜被稱為吸收光譜或暗線光譜。

另一方面，如果我們觀察的是周圍氣體而非光源時，我們會看到那些被吸收的頻率在生產的頻譜上變成了明亮的譜線。這類光譜則被稱為發射光譜或明線光譜。

光譜類型

我們都聽曾說，宇宙正在不斷膨脹。這意味著有些物體正在遠離我們，而另一些物體則在靠近我們。這種運動可以通過頻譜中的偏移來確認。例如，科學家已經掌握，對於被認為相對於地球靜止的恆星，它們發出的氫原子的發射光譜線形狀。然後，我們可以拿這份頻譜去跟其他天體的氫原子發射光譜進行比較。

如果該天體正在遠離我們，那麼它的氫原子光譜線將呈現出向頻譜上深紅色區域（或波長更長的區域）移動的趨勢。這被稱為紅移。如果該天體正在靠近我們，那麼它的譜線則會向頻譜深藍色區域（或波長更短的區域）移動。不用多想，這被稱為藍移。波長的可觀測偏移被稱為多普勒頻移。

多普勒頻移

光譜線就像不斷送出的禮物。除了上述討論的內容之外，光譜線還可以向我們透露，不同天體的密度、溫度和磁場等信息。

結論

哈勃望遠鏡拍攝到的仙女座星系清晰圖像

人類一直對夜空充滿好奇。曾經，我們用肉眼凝視夜空中閃爍的星星；到如今，我們可以藉助哈勃望遠鏡拍攝到距離我們250萬光年的仙女座星系圖像。每一天，我們的目光都投向更深遠的太空，試圖去了解宇宙的組成，探索地球之外的奧秘。誠如卡爾·薩根所言：“在某處，某些不可思議的事物正等待我們去了解。”