点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

星的色与谱

来源:光明网2020-06-05 10:16

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  大家认为夜空是什么颜色的呢?这时或许大多数人脑海中会浮现出这样一幅黑白画:黑色的画布上点缀着一颗颗一闪一闪的小星星,角落可能还挂着弯弯的月亮。

  而实际上,大家晚上仰望星空,应该看到的是一幅彩色的画卷。对星空摄影比较熟悉的读者可能会发现,夜空其实并不单调,甚至五颜六色、充满生机、热闹非凡。比如蓝色的参宿七、橙色的五车二、红色的心宿二,还有色彩斑斓、如诗如画的各种星云。

 星的色与谱 

图1 宇宙礁。图片来源:https://hubblesite.org/resource-gallery/images

 星的色与谱 

图2 韦斯特隆德2(Westerlund 2)。图片来源:https://hubblesite.org/resource-gallery/images

 星的色与谱 

图3 超巨星HR5171附近的星场。图片来源:https://www.eso.org/public/images/eso1409a

 星的色与谱

图4 国家天文台兴隆观测站的冬季星空(摄影:袁凤芳)

  恒星会呈现不同的颜色主要是因为表面有效温度不同,温度高的恒星颜色偏蓝,温度低的偏红。星云在可见光波段主要依靠附近的恒星照亮。而人眼因为视觉神经构造的原因,在天体太暗时无法分辨其颜色,只有在恒星比较亮的时候才能分辨出它们的颜色。而数码相机的探测器本身是无法区分颜色的,其主要功能是把光子转化为电子,并把收集到的电子数清楚。之所以彩色相机能拍出来彩色的图片,其实是因为使用了多色滤镜,比如常用的拜尔滤镜(Bayer-filter)。彩色相机在获得不同颜色的强度后,按一定算法重新还原物体的颜色。

星的色与谱

图5 拜尔滤镜[2]

  恒星的表面有效温度是描述恒星性质的重要物理参数[1]。对于遥远的天体也是比较容易测得的物理量之一。并且由于恒星的表面有效温度通常在2,600K-50,000K之间(此处“K”对应中文为“开尔文”,是科学上常用的温度单位之一,该值减去273.15即转化为我们生活中常用的摄氏温度值),很多恒星在人眼可见的光谱范围内都有较强的辐射。太阳的表面有效温度约为5,800K,辐射的峰值波长在500nm左右,人类的眼睛在长期的演化过程中逐渐适应了太阳这颗恒星营造的生存环境。事实上恒星在可见光范围内都有辐射,蓝色的恒星并不是只有蓝色光,只是在蓝色区间辐射的能量最强,所以看起来偏蓝。

星的色与谱

图6 恒星表面有效温度与辐射峰值波长的关系。图片来源:http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/wien.html,并稍作修改,修图:邱鹏

  测量恒星表面有效温度最简单的办法是利用滤光片系统。这与彩色相机的滤镜有点类似,但天文观测需要精确测量,所以通常是采用多色滤光片系统(常用的有Jonson-Bessel和SDSS滤光片系统)或者使用分色棱镜组(如菲利普棱镜组)将不同波长范围的光分开。从而精确测量不同波长范围内的光子数,然后通过比较不同波段内光子数的差值(如色指数),结合黑体辐射曲线大致判断天体的颜色。因为多色滤光片通常是比较粗略的窗函数采样,所以要得到天体不同波长处更加详细、更加准确的光子数就需要测量天体的光谱了。

星的色与谱  

图7 SDSS滤光片透过率曲线。图片来源:https://mcdonald.utexas.edu/images/McDonaldObservatory,并稍作修改,修图:邱鹏

星的色与谱  

图8 分色棱镜组。图片来源:https://apre-inst.com/products/sci

  测量时会涉及两个概念,一个是恒星的亮度,一个是恒星的光度。亮度是指我们实际测到的天体的光子数,因为天体离我们的距离不同,所以亮度并不能直接反应天体本身的光度。这里的光度是指天体发出的总辐射。比如,一个100W的灯泡,近距离看它时很刺眼,但是距离1公里看它,就觉得暗多了。

  因为恒星辐射近似于有效温度相同的黑体辐射,所以测得了恒星的颜色就可以计算其表面有效温度。恒星表面有效温度与表面每秒单位面积内辐射出的总能量的大小是正相关的,温度越高每秒单位面积内辐射的能量越多。天文学家利用恒星的表面有效温度和光度得到了研究恒星演化的重要工具——赫罗图。这里太阳的光度为1,作为其他恒星光度的参考值。比如红巨星,它的颜色偏红,其表面有效温度低,但是光度大,那么必然它是一个很大的天体。因为只有拥有足够大的表面才能辐射足够多的能量。

星的色与谱

图9 赫罗图。图片来源:https://www.eso.org/public/images/eso0728c,并稍作修改,修图:邱鹏

  精确测量恒星的颜色,就需要获得其光谱,即将恒星发出的不同波长的光分离出来。一般是采用色散元件将来自天体的光进行色散。常用的色散元件有棱镜和衍射光栅。另外,也可以利用光的干涉原理进行测量,如法布里-珀罗干涉仪和迈克尔逊干涉仪。

  棱镜是利用光学材料对不同波长的光折射率不同来实现分光的。天体发出的光束入射到棱镜后,不同波长的光折射率不同,从棱镜出来时偏转的角度不同,从而将它们分开。棱镜色散的优点是连续性好,缺点是色散率低、色散率非线性。地球表面的大气层也相当于一个棱镜,斜入射的光束将被色散。棱镜也可以用来反向修正大气色散,这就是望远镜中常用的大气色散改正镜(ADC)。拍摄地平高度较低的天体时,加一个ADC将会获得不错的效果。

星的色与谱  

图10 棱镜色散原理示意图。图片来源:https://hubpages.com/education/rainbow-science

  衍射光栅主要是利用光的波动性来实现光谱分光的。衍射光栅按制作工艺主要分为刻画光栅和全息光栅两种。刻画光栅直观来讲,就是光栅面是一刀一刀刻画出来的。当然,实际情况是除了母光栅是用光栅刻画机一条一条的刻出来的,批量化的产品大多是用环氧树脂等材料复刻出来的,有点像用橡皮泥拓印硬币表面的图案。

星的色与谱

星的色与谱  

图11 光栅光谱仪工作原理和光栅结构示意图[3]。图片来源:http://www.analytik.ethz.ch

 星的色与谱 

图12 交叉色散光谱仪工作原理示意图。图片来源:http://www.ucolick.org/~vogt/images,并稍作修改,修图:邱鹏

  星的色与谱

图13 二维光谱图。图片来源:https://www.physicsforums.com

  全息光栅的制作方式与刻画光栅完全不同,不需要刻画过程,而是利用光致光刻胶变性的特性来记录干涉条纹。使用激光器产生空间干涉条纹,并用光刻胶记录这些条纹,经过定影、固化处理就获得了折射率周期性变化的相位光栅。

星的色与谱

图14 全息光栅制作原理及光栅结构示意图[4-5]。图片来源:https://www.horiba.com;http://www.kosi.com等网络,并稍作修改,修图:邱鹏

  得到天体的光谱后,除了可以精确测量颜色和温度外,还可以用谱线的红移/蓝移测量天体的视向运动,也可以根据光谱中的发射线和吸收线来测量天体的元素丰度、自转、磁场等。

星的色与谱

图15 织女星在400nm~900nm的光谱流量曲线 (绘图:张晓明)

  参考文献及图片引用

  [1] 鲁道夫·基彭哈恩.千亿个太阳[M]. 沈良照、黄润坤, 译.湖南科学技术出版社, 1996:1-36.

  [2] Yu-Cheng F , Yi-Feng C . Discrete Wavelet Transform on Color Picture Interpolation of Digital Still Camera[J]. Vlsi Design, 2013, 2013:1-9.

  [3] Christopher Palmer.Diffraction Grating Handbook (7th edition)[M]. Richardson Grating Laboratory, 2014.

  [4] Bakanas Ramūnas, Virginija J , Andrejs B , et al. Comparison of diffraction patterns exposed by pulsed and CW lasers on positive-tone photoresist[J]. Applied Optics, 2017, 56(8):2241.

  [5] Sabel T , Lensen M C . Function and structure – Combined optical functionality and specific bio-interaction for multifunctional biomedical materials[C]. Euro Biomat. 2017.

  作者简介

  张晓明,工学博士,中国科学院国家天文台高级工程师。主要研究方向为光学天文观测技术与方法、光学天文观测仪器光机系统设计。

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 习近平主持中俄蒙元首第七次会晤

  • 习近平会见蒙古国总统呼日勒苏赫

独家策划

推荐阅读
点击羽绒服胸前的按钮,2秒即可速热,实现四档温度调节……1日,在哈尔滨举行的第七届中国国际新材料产业博览会现场,一款造型时尚的智能温控羽绒服吸引不少观展者驻足围观。
2025-09-02 10:23
当地时间9月1日,世界知识产权组织发布最新报告显示,今年的全球创新指数(GII)集群研究将风险资本交易活动作为一项新指标。全球创新指数集群排行榜于2017年创设,通过三项核心指标,识别世界级创新活动在当地的集中程度。
2025-09-02 10:21
强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》昨起实施。为保障新国标在本市顺利推行,近日,市市场监管局组织召开在京销售电动自行车生产经营企业约谈指导会。为保障新国标平稳落地实施,本市市场监管部门将强化监督抽检,保障本市电动自行车产品质量安全。
2025-09-02 10:18
会空翻、格斗,能叠衣、调饮,善聊天、“思考”……前不久举行的2025世界机器人大会上,各类机器人本领“进化”、各显神通,展现了人工智能的巨大潜力。如今,从旅游出行的智能助手,到工厂培训的“最强大脑”,再到装备升级的有力支撑,人工智能扮演着越来越重要的角色。
2025-09-02 10:15
零碳园区的建设,对于推动我国经济社会发展全面绿色转型具有重要意义。节能降碳,光靠“外套保温”不够,在园区地上、地下,还有“血液循环”系统来“保持恒温”。
2025-09-02 10:15
在这条新的赛道上,中国青年正在奋力奔跑。
2025-09-02 09:59
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
加载更多