第132章 光谱分析（1/2）

光谱分析：原理、方法与科学应用

光谱分析是天文学中研究天体物理性质的核心技术，通过分解天体的电磁辐射（光）并分析其波长、强度及特征，揭示其化学成分、温度、运动状态等信息。以下是光谱分析的详细解析：

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1.光谱的基本概念

(1)什么是光谱？

当光（电磁波）被色散元件（如棱镜或光栅）分解后，形成的按波长排列的彩色带称为光谱。天体光谱可分为三类：

-连续光谱：由炽热固体、液体或高压气体产生，覆盖所有波长（如恒星光球层）。

-发射光谱：由低压气体受激发后发射特定波长的亮线（如星云）。

-吸收光谱：连续光谱穿过较冷气体时，特定波长被吸收形成暗线（如恒星大气层）。

(2)光谱的物理意义

-波长（λ）：反映光子能量（$E=hc/\bda$），用于识别元素或分子。

-强度：表征辐射源的温度、密度或丰度。

-谱线轮廓：展宽或偏移揭示运动（多普勒效应）、磁场（塞曼效应）或压力（斯塔克效应）。

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2.光谱分析的步骤

(1)数据获取

仪器设备

-摄谱仪：核心部件包括：

-狭缝：控制入射光范围。

-色散元件：棱镜（低分辨率）或衍射光栅（高分辨率）。

-探测器：CCD（可见光/近红外）或红外阵列。

-望远镜配合：需大口径收集足够光子（如凯克望远镜的HIRES光谱仪）。

观测模式

-长缝光谱：适用于扩展源（如星系）。

-光纤光谱：多目标同时观测（如SDSS巡天）。

-高色散光谱：用于系外行星探测（如HARPS）。

(2)数据处理

1.预处理：

-扣除仪器噪声（暗电流、热噪声）。

-平场校正（消除CCD像素响应不均）。

-波长校准（用标准灯如氦氖激光定标）。

2.归一化：将光谱强度除以连续谱，突出吸收/发射线。

3.谱线识别：比对实验室或数据库（如NIST原子光谱库）确定元素。

(3)物理量提取

化学成分分析

-等值宽度（EW）：吸收线下的面积，正比于元素丰度。

-曲线生长法：通过不同强度谱线推算元素含量（如恒星金属丰度[Fe/H]）。

运动学分析

-多普勒位移：谱线波长偏移量（$\Delta\bda/\bda=v/c$）计算视向速度。

-示例：恒星远离时红移，靠近时蓝移。

温度与密度

-谱线强度比：如氢巴尔末线（Hα/Hβ）比用于测电子温度。

-连续谱斜率：黑体辐射拟合（维恩位移定律）推算有效温度。

磁场与湍流

-塞曼分裂：磁场导致谱线分裂（如太阳黑子光谱）。

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