Спектральный анализ в астрономии

1. Спектральный анализ в астрономии

ЗАКРЫТЬ

2. Открытие Ньютона

В
1666
г.
Исаак
Ньютон,
обратив
внимание на радужную
окраску
изображений
звезд
в
телескопе,
пропустил узкий пучок
света через трехгранную
призму, в результате чего
заметил, что свет не
только отклоняется к
основанию призмы, но
еще и раскладывается на
цветовые составляющие.
Ньютон создал новый
прибор – спектроскоп.

3. Спектры

Полученная на экране цветная полоска, состоящая из семи
основных цветов, плавно переходящих друг в друга, получила
название «спектра».

4. Спектрографы

В телескопах для получения
спектра используют специальные
приборы
–
спектрографы,
устанавливаемые за фокусом
объектива телескопа. В прошлом
все
спектрографы
были
призменными, но теперь вместо
призмы
в
них
используют
дифракционную решетку, которая
также разлагает белый свет в
спектр,
его
называют
дифракционным спектром.

5. Дифракция света на дифракционной решётке

6. Виды спектров

– Сплошной спектр
• Имеет вид непрерывной полосы, цвета которой
плавно переходят один в другой. Все твердые
тела, расплавленные металлы, светящиеся
газы и пары, находящиеся под очень большим
давлением, дают сплошной спектр.

7. Виды спектров

– Линейчатый спектр
• Состоит из отдельных резких цветных линий,
разделенных
темными
промежутками.
Раскаленные
атомарные газы и пары при
нормальном давлении дают такой спектр.

8. Виды спектров

– Полосатый спектр
• Состоит из отдельных линий, сливающихся в
полосы (четкие с одного края и размытые с
другого), разделенных темными промежутками.
Такой спектр дают молекулярные газы и пары.

9. Виды спектров

– Спектр поглощения
• Имеет вид сплошного спектра, пересеченного
темными линиями или полосами. Образуется
при
прохождении
белого
света
через
раскаленные пары и газы.

10. Виды спектров

Исследования показали, что вещество
поглощает лучи тех длин волн, которые оно
может испускать в данных условиях – закон
Кирхгофа. Следовательно при наложении
линейчатого спектра и спектра поглощения
получается сплошной спектр.

11. Спектроскопия

Разложение электромагнитного излучения по длинам волн с целью их
изучения называется спектроскопией. Анализ спектров – основной
метод изучения астрономических объектов, применяемый в
астрофизике.
Фотографический снимок спектра небесного тела называется
спектрограммой. Излучение абсолютно черного тела, проходя через
молекулярное облако, приобретает линии поглощения в своем спектре.
У облака газа также можно наблюдать спектры.

12. Спектроскопия

Изучение спектров дает информацию о
температуре, скорости, давлении, химическом
составе.
История спектрального анализа началась в
1802 г., когда англичанин Волланстон, наблюдая
спектр Солнца, впервые увидел темные линии
поглощения. Он не смог объяснить их и не придал
своему открытию особого значения.
В 1814 г. немецкий физик Фраунгофер вновь
обнаружил в солнечном спектре темные линии
поглощения и верно смог объяснить их появление.
С тех пор их называют линиями Фраунгофера.
Фраунгоферовы линии – не что иное, как линии
поглощения
паров
различных
веществ,
находящихся вблизи источника сплошного спектра –
Солнца.
В 1868 г. в спектре Солнца были обнаружены
линии неизвестного элемента, названного гелием
(греч. helios «Солнце»). Через 27 лет небольшое
количество этого газа обнаружилось и в земной
атмосфере. Сегодня известно, что гелий – второй
по распространенности элемент во Вселенной.
Йозеф Фраунгофер

13. Спектроскопия

В 1918–1924 гг. вышел в свет каталог
Генри
Дрепера,
содержащий
классификацию спектров 225 330 звезд.
Этот
каталог
стал
основой
для
Гарвардской классификации звезд.
В
спектрах
большинства
астрономических объектов наблюдаются
линии водорода, возникающие при
переходе на первый энергетический
уровень.
Это
серия
Лаймана,
наблюдаемая в ультрафиолете.
В
видимой области спектра наблюдаются
линии водорода серии Бальмера.
Линии водорода наблюдаются и в
инфракрасной части спектра – серии
Пашена, Брэккета и другие, более
далекие.
Генри Дрепер

14.

Спектральные
серии в спектре
водорода.

15. Спектры звезд

Наиболее интенсивная линия гелия расположена в желтой части
спектра. В спектрах звезд типа Солнца наблюдаются также линии
натрия и линии ионизованного кальция.
Нижние слои фотосферы Солнца и звезд дают непрерывный
спектр, пересеченный отдельными темными линиями, которые
возникают при прохождении излучения через более холодные слои
атмосферы звезды.
По спектру поглощения можно судить о химическом составе
атмосферы звезды. Яркие линии в спектре показывают, что звезда
окружена расширяющейся оболочкой из горячего газа. У красных звезд
с низкой температурой в спектре видны широкие полосы молекул окиси
титана, оксидов. Ионизированный межзвездный газ, нагретый до
высоких температур, дает спектры с максимумом излучения в
ультрафиолетовой области.
Необычные спектры дают белые карлики. У них линии поглощения
во много раз шире, чем у обычных звезд и имеются линии водорода,
которые отсутствуют при таких температурах у обычных звезд. Это
объясняется высоким давлением в атмосферах белых карликов.

16. Эффект Доплера

В 1842 г. австрийский физик и
астроном
Христиан
Доплер
установил:
если
источник
излучения движется по лучу
зрения наблюдателя с некоторой
скоростью, называемой лучевой,
то наблюдатель фиксирует волну
длиной λ:
r
0 1
c
где Vr – проекция скорости источника на луч зрения. Открытый им
закон получил название закона Доплера.
Проекция скорости
положительна при удалении источника света от наблюдателя, и
отрицательна при приближении к нему.

17. Иллюстрация эффекта Доплера. Неподвижный наблюдатель отмечает фальшивые ноты движущегося оркестра

18. Эффект Доплера

Эффект
Доплера чаще всего
встречается в акустике. Звуковой сигнал
от
приближающегося
автомобиля
кажется
более
высоким,
а
от
удаляющегося более низким. Подобное
явление происходит и в оптике: линии в
спектре
звезды
оказываются
смещенными в фиолетовую сторону
спектра, если звезда приближается к
нам. Для звезд, приближающихся к
Земле, линии будут смещены на такую
же величину в красную сторону.
Сдвиг
спектральных
линий
теоретически предсказал Х. Доплер, в
1899 г.
подтвердил лабораторными
опытами и наблюдениями спектров звезд
русский
астрофизик
Аристарх
Аполлонович Белопольский.

19.

20. Эффект Доплера

Эффект Доплера дает возможность оценить скорость
вращения звезд. Для измерения смещения спектральных
линий рядом со спектром исследуемой звезды на ту же
фотопластинку фотографируют спектр лабораторного
источника, измеряют смещение линий объекта по
отношению к лабораторной системе длин волн и тем
самым находят величину смещения. Затем по формуле
определяют лучевую скорость звезды:
0 r
0
c

21. Эффект Зеемана

В 1896 г. нидерландским физиком
Питер Зееманом был открыт эффект
расщепления линий спектра в
сильном магнитном поле. С помощью
этого
эффекта
теперь
стало
возможно «измерять» космические
магнитные поля.
Похожий эффект наблюдается в
электрическом поле. Он проявляется,
когда в звезде кратковременно
возникает сильное электрическое
поле.

22. Закон Стефана - Больцмана

Любое
нагретое
тело
излучает
электромагнитные волны.
Тело, которое не поглощало бы
излучение и полностью отражало все
падающие
на
него
лучи,
называют
абсолютно белым телом.
Тело, поглощающее все падающее на
него излучение, называют абсолютно
черным телом.
Излучение абсолютно черного тела
зависит только от его температуры.
Австрийскими физиками Стефаном и
Больцманом
был
установлен
закон,
выражающий количественное соотношение
Людвиг Больцман
между мощностью излучения единицы
поверхности нагретого тела и температурой
этого тела:
– мощность излучения единицы
4 , где
поверхности,
– постоянная Стефана –
Больцмана, Т – абсолютная температура.
T
Этот закон носит название закон Стефана – Больцмана.
σ = 5,67∙10–8 Вт/(м2∙К4).

23. Закон смещения Вина

С увеличением температуры максимум излучения
абсолютно черного тела сдвигается в коротковолновую
часть спектра. Более горячая звезда излучает большую
часть энергии в ультрафиолетовом диапазоне, менее
горячая – в инфракрасном.
Этот закон получил название закон смещения
Вина.
max
b
T
Вильгельм Вин
Так, для Солнца Т = 5800 К, и максимум приходится на длину
волны
max ≈ 500 нм, что соответствует зеленому цвету в оптическом
диапазоне.

24. Домашнее задание

§ 18, рабочая тетрадь упр. 5, 6, 7
ЗАКРЫТЬ