بیگ بنگ: طیف‌سنجی یکی از ابزار مورد علاقه‌ی ستاره‌شناسان برای کمک به درک کیهان است. اگر قرار باشد نشانه‌هایی از حیات یا عناصر اجرام دوردست کشف شود، دانشمندان با طیف‌سنجی می‌توانند آن را شناسایی کنند.

به گزارش بیگ بنگ، سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها خیلی دور هستند و نمی‌توان آن‌ها را در آزمایشگاه تحت بررسی قرار داد. خوشبختانه اطلاعات بسیار مهمی در مورد این اجرام دور در نوری که با تلسکوپ قابل تشخیص است وجود دارد. اما نور یک کتاب باز نیست. برای خواندن نور، باید آن را به رنگ‌های (یا طول موج‌های) مختلفی تقسیم کنیم، به همان روشی که قطرات باران نور را پراکنده می‌کنند تا رنگین کمان را تشکیل دهند.

هر طیف دارای انواع گسترده‌ای از اطلاعات است. برای مثال، مکانیزم‌های مختلفی وجود دارد که توسط آنها یک جسم، مانند یک ستاره، می‌تواند نور تولید کند. هر یک از این مکانیزم‌ها دارای یک طیف مشخص است. آیزاک نیوتن این رنگین کمان رنگ‌ها را طیف نامید که معادل لاتین برای واژۀ “appearance” است.

طیف‌سنجی چطور شکل گرفت؟

بر طبق اصل نیوتن، نور سفید ترکیبی از رنگ‌های مختلف نور است و از یک منشور می‌توان برای جدا کردن نور سفید به رنگین کمان به نام طیف استفاده کرد. در سال 1814 “جوزف فون فراونهوفر” نور خورشید را از طریق یک منشور منعکس کرد و سپس طیف را بزرگ کرد. او از دیدن بیش از 600 خط ظریف و تاریک در طیف خورشید، شگفت‌زده شد. این خطوط را “خطوط طیفی” می‌نامند.

اولین کاربرد نجومی طیف‌سنجی در تجزیه و تحلیل نور خورشید به دست “فرانهوفر” و “کیرشهوف” انجام شد. انتظار می‌رفت که نور سفید ساطع شده از خورشید هنگام عبور از یک منشور، رنگین کمان تمیزی تولید کند. اما، برای اولین‌بار، الگوی خطوط تیره نیز مورد توجه قرار گرفت. این خطوط غیرمنتظره مثل «اثر انگشت» بودند که توسط عناصر شیمیایی مختلف در نور نقش می‌بندند و خطوط جذب نامیده می‌شوند.

زیبایی این تعامل این است که هر عنصر یا مولکول شیمیایی یک امضای منحصر به فرد در طیف ایجاد می‌کند، نوعی بارکد که به طور واضح یک عنصر را از عنصر دیگر متمایز می‌کند. با رمزگشایی این بارکدها، طیف‌سنجی می‌تواند ویژگی‌های مهم هر جسمی را که نور ساطع یا جذب می‌کند، آشکار سازد.

طیف نگارها قطعات اساسی ابزار نجومی هستند و بسیار پیچیده‌تر از یک منشور می‌باشند. به‌جای یک رنگین کمان ساده، خروجی طیفی است که در آن پراکندگی نور بسیار بیشتر از رنگین کمان است. طیف‌ها بر روی یک آشکارساز CCD ثبت می‌شوند و در نهایت در فایل‌های کامپیوتری برای پردازش و تجزیه و تحلیل ِ بیشتر ذخیره می‌شوند. طیف یک ستاره یا هر جسم نجومی نه تنها حضور عناصر شیمیایی خاصی را نشان می‌دهد، بلکه از شرایط فیزیکی غالب مانند دما و چگالی نیز خبر می‌دهد.

همینطور طیف می‌تواند اطلاعاتی در مورد حرکت به ما بدهد: با استفاده از اثر دوپلر، می‌توان سرعت یک ستاره یا یک کهکشان را نسبت به زمین، اندازه‌گیری کرد. این اثر برای کشف سیارات فراخورشیدی استفاده می‌شود و یک اثر مشابه به دانشمندان اجازه می‌دهد تا فاصله‌ی کهکشان‌ها را اندازه‌گیری کنند. همچنین طیف حاوی اطلاعاتی در مورد میدان مغناطیسی موجود در اجرام، ترکیب مواد و بسیاری موارد دیگر است.

بیشتر تلسکوپ‌های رصدخانه‌های جنوبی اروپا(ESO) دارای طیف‌نگار یا حالت طیف‌سنجی هستند. آنها دامنه‌های مختلف طول موج (از نزدیک به فرابنفش گرفته تا فروسرخ میانی) را پوشش می‌دهند و وضوح طیفی متفاوتی را ارائه می‌دهند (هرچه وضوح طیفی بالاتر باشد، پراکندگی نور قوی‌تر است و جزئیات طیف قابل تشخیص کوچکتر است). تلسکوپ جیمز وب نیز با ابزار نیراسپک(NIRSpec) می‌تواند به بررسی ترکیبات شیمیایی ستاره‌ها و کهکشان‌های اولیه بپردازد. این ابزار یک طیف‌سنج است که می‌تواند با مطالعه نور اجرام، ترکیبات شیمیایی آن‌ها را به دست آورد.

دانشمندان از یک طیف چه چیزی می‌توانند بیاموزند؟

هر عنصر در جدول تناوبی می‌تواند به صورت گازی ظاهر شود و یک سری خطوط روشن منحصر به فرد را ایجاد کند. هیدروژن شبیه هلیوم نخواهد بود، همانطور که هلیوم شبیه کربن نخواهد بود، همانطور که کربن شبیه آهن نخواهد بود و غیره. بنابراین، ستاره‌شناسان می‌توانند از روی خطوطی که در طیف ستاره پیدا می‌کنند، تشخیص دهند که چه نوع موادی در ستاره‌ها وجود دارد. این نوع مطالعه را طیف‌سنجی می‌نامند.

علم طیف‌سنجی بسیار پیچیده است. دانشمندان از روی خطوط طیفی می‌توانند نه تنها عنصر، بلکه دما و چگالی آن عنصر را در ستاره تعیین کنند. خط طیفی می‌تواند اطلاعاتی در مورد هر میدان مغناطیسی ستاره به ما بدهد. عرض خط می‌تواند به ما بگوید که مواد با چه سرعتی حرکت می‌کنند. ما می‌توانیم در مورد باد در ستاره‌ها اطلاعات کسب کنیم. اگر خطوط به جلو و عقب جابه‌جا شوند، می‌توان فهمید که ستاره به دور ستاره‌ی دیگری در حال گردش است. ما می‌توانیم جرم و اندازه‌ی ستاره را از این نظر تخمین بزنیم. اگر قدرت خطوط افزایش یافته و سپس محو شوند، می‌توانیم تغییرات فیزیکی ستاره را متوجه شویم.

همچنین اطلاعات طیفی می‌تواند در مورد مواد اطراف ستاره‌ها به ما اطلاعاتی بدهد. این ماده ممکن است از یک دیسک (قرص) در اطراف ستاره به نام “قرص برافزایشی” روی ستاره بیفتد. این قرص‌ها اغلب در اطراف یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله تشکیل می‌شوند. نور ساطع شده از مواد بین ستاره‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد تا محیط بین ستاره‌ای (ISM) را مطالعه کنند. این امر به ما می‌گوید که چه نوع موادی فضای بین ستاره‌ها را پر می‌کند. فضا خالی نیست! گاز و غبار زیادی بین ستاره ها وجود دارد. طیف‌سنجی یک ابزار اساسی است که دانشمندان برای مطالعه‌ی کیهان از آن استفاده می‌کنند.

دانشمندان با استفاده از طیف‌سنجی متوجه می‌شوند که چگونه جسمی مانند یک سیاهچاله، ستاره نوترونی یا کهکشان فعال نور تولید می کند، سرعت حرکت آن چقدر است و از چه عناصری تشکیل شده است. طیف می‌تواند برای هر انرژی نور تولید شود، از امواج رادیویی کم انرژی گرفته تا پرتوهای گاما با انرژی بسیار بالا.

ترجمه: سحر  الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع: spectroscopy , ESA , NASA