Спектроскопия: как по цветным линиям определить состав звезд и галактик

Немецкий ученый Густав Кирхгоф 27 октября 1859 года объявил об изобретении спектроскопа. Вместе с химиком Робертом Бунзеном они открыли множество редких химических элементов, таких как рубидий и цезий. В рубрике «Имени языка Эйнштейна» разбираемся в развитии представлений о природе света, принципе работы спектроскопа и как он помогает изучать Вселенную.

Что такое свет?
В V веке до нашей эры древнегреческий философ Эмпедокл предположил, что все материальное состоит из четырех элементов: огня, воздуха, воды и земли. Он считал, что Афродита создала из них человеческий глаз и зажгла в нем огонь — основу зрения. То, что ночью мы видим хуже, философ объяснял взаимодействием света из глаз с лучами Солнца.

В 300 году до нашей эры Евклид в своем труде «Оптика» изложил законы отражения света и математически описал их. Он также подверг теорию Эмпедокла сомнениям: почему мы видим звезды ночью сразу, как открыли глаза?

К современной трактовке природы света был близок римский писатель Лукреций в 55 году до нашей эры. В поэме «О природе вещей» он писал, что свет состоит из мельчайших движущихся частиц. К сожалению, теория не стала общепризнанной.

С XVII века ученые разделились на сторонников корпускулярной теории Ньютона и волновой теории Гюйгенса. Согласно первой идее, свет представляет собой поток частиц. Гюйгенс же считал, что это поперечная волна, для распространения которой необходимо особое вещество — эфир.

В XIX веке была выдвинута электромагнитная теория Джеймса Максвелла. Британский ученый считал, что световые волны по своей природе схожи с электромагнитными волнами.

Только в XX веке с развитием квантовой механики физик-теоретик Луи де Бройль сформулировал теорию корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой свет имеет двойственную природу и может рассматриваться и как частица, и как волна.

В 1676 году Исаак Ньютон провел опыт с трехгранной призмой: он разложил белый солнечный свет на спектр. Это видимое излучение, в котором каждому цвету соответствует определенная длина волны. Красному — самая длинная, а фиолетовому — самая короткая.

Какой спектр у вещества?
В 1859 году немецкие физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен изучили  спектральные линии щелочных и щелочноземельных металлов. В пламя горелки вносили исследуемое вещество и пропускали свет от огня через призму. На фоне получаемого спектра можно было различить яркие линии, индивидуальные для каждого элемента.

Линейчатый спектр испускания — это совокупность цветных линий, отделенных друг от друга широкими темными промежутками. Линейчатый спектр поглощения получают, пропуская свет от источника через вещество, атомы и молекулы которого находятся не в возбужденном состоянии.

Опыты Кирхгофа и Бунзена стали первыми в области спектрального анализа — определения химического состава веществ в газовом или атомарном состоянии. При изучении цветовых линий лития, натрия и калия, ученые обнаружили новые химические элементы — рубидий и цезий.

Как изучить галактики по спектрам?
Вещества могут не только испускать, но и поглощать свет. Так, химик Уильям Волластон в 1802 году нашел темные линии поглощения в спектре солнечного света. В 1814 году физик Йозеф Фраунгофер подробно описал их и выделил больше 570, названных позднее «фраунгоферовыми линиями». По ним ученые смогли определить, что Солнце состоит из водорода, железа, хрома, кальция и натрия. В 1868 году, за 27 лет до открытия этого газа на Земле, в составе Солнца также обнаружили новый элемент — гелий.

Спектральный анализ позволяет не только изучить состав  звезд, туманностей, колец Сатурна и полярного сияния, но и рассчитать расстояние между галактическими объектами и скорость их движения.

В 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер заметил, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается: увеличивается при удалении источника и уменьшается при его приближении. Самый простой пример эффекта Доплера — гудок проезжающего мимо поезда.

При отдалении источника излучения от наблюдателя все темные полосы на его спектре сдвигаются к красной стороне, эффект красного смещения, а при приближении — к фиолетовой. По этому сдвигу можно определить скорость движения звезд, галактик и других небесных тел.

Изучая космологическое красное смещение, Эдвин Хаббл доказал, что у дальних галактик сдвиг по спектру больше, чем у Солнца. Его величина растет пропорционально расстоянию до исследуемых объектов, что доказывает расширение Вселенной.

текст: Олеся ЛЕДОВИЧ
иллюстрации: wikipedia.org, wikireading.ru