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今年3月30日，世界著名的科學雜誌《自然》發布了一篇文章，聲稱NASA（美國航天局）利用哈勃望遠鏡發現了一顆迄今最遙遠的恒星，編號為(wei) WHL0137-LS，被命名為(wei) Earendel，寓意是“晨星”或“旭日之光”。

研究認為(wei) ，這顆恒星距離我們(men) 約129億(yi) 光年，質量約有太陽的50倍以上，是一顆巨大的藍星。在此之前，最遠的恒星是2018年發現的MACS J1149 + 2223 Lensed Star-1（簡稱LS1），別名伊卡洛斯，距離我們(men) 約93億(yi) 光年。

這些恒星都是通過引力透鏡放大效應才被發現的，雖然很模糊，但科學家們(men) 也能夠從(cong) 一點星光中發現其身份信息。許多距離在億(yi) 萬(wan) 光年的恒星，科學家們(men) 都能夠將其情況娓娓道來，如數家珍。那麽(me) ，科學家們(men) 是如何知道了這些恒星的信息呢？

原來科學家們(men) 有許多的科學方法，探知這些遙遠恒星的秘密。其中很重要的一個(ge) 方法，就是分析恒星光譜。恒星光譜可以披露出恒星很多深層的秘密，沒有兩(liang) 顆恒星具有完全一模一樣的光譜，因此恒星光譜被譽為(wei) 恒星的指紋。

科學家們(men) 正是掌握了恒星的這種“指紋”，才能夠了解遙遠恒星的基本參數和細節。我們(men) 一起來學習(xi) 了解一下。

光譜指紋是如何形成的/

我們(men) 知道，每個(ge) 人都有不同的指紋，這個(ge) 世界上沒有兩(liang) 枚完全相同的指紋。正是如此，人們(men) 就可以通過一個(ge) 人留下的指紋信息，在70多億(yi) 人口中找到這個(ge) 人。

但如果說恒星也有指紋，許多人當然不信。恒星是一個(ge) 巨大的火球，怎麽(me) 可能長出指紋呢？這種說法沒錯，但這裏說的指紋並非真正的指紋，而是類似指紋這種能夠辨別信息的方法。在人類中，指紋常常與(yu) 一個(ge) 人身份信息相關(guan) ，通過指紋比對，就可以了解這個(ge) 人的性別、年齡、出生地、民族、信用狀況等等信息，因此指紋也類似身份證。

恒星也是一樣，由於(yu) 每顆恒星誕生的環境、時間、物質組成、質量大小、演化過程、距離遠近都不一樣，導致發出的光就有差別，而恒星光譜就能把這些差別細微的刻畫出來，從(cong) 而形成了恒星的“指紋”。

光譜，就是光的顏色和譜線。我們(men) 人眼看到的光叫可見光，是複合光，如太陽光由紅橙黃綠青藍紫等顏色組成，由於(yu) 不同顏色的光具有不同的波長和折射率，通過棱鏡時就會(hui) 發生色散，將各種不同顏色的光分離出來。

可見光波長約在380~780納米之間，以紫光波長最短，紅光波長最長，能量則與(yu) 波長成反比。可見光是電磁波譜中一小段，電磁波除了有可見光，還有不可見光，如無線電、紅外線、紫外線、X射線、γ射線等。

光波是由於(yu) 原子運動過程中電子產(chan) 生的電磁輻射，不同物質的內(nei) 部電子，以及這些電子在不同能量下運動情況是不一樣的，因此不同物質在不同狀態下發射的光波就不同。現在已經發現的宇宙元素有118種，每種元素發出的光波都是不一樣的。

光譜中會(hui) 有光譜線，是指均勻連續光譜中的暗線或亮線，每種原子都有自己的特征譜線，因此，通過光譜線特征就可以鑒別出是什麽(me) 原子或分子發出的光。光譜線遵從(cong) 基爾霍夫定律，即每一種化學元素在高溫下，都能產(chan) 生輻射而發出獨特的明線光譜；在低溫時，則吸收自己能夠發出的這些輻射，從(cong) 而使光譜中的明線變成暗線。

科學家們(men) 在實驗室獲得各種元素在各種條件下發生的光譜樣本，有了這些樣本，與(yu) 采集到的各種光源光譜對照分析，就能夠得到這些光源是什麽(me) 元素發出，及其各種元素的豐(feng) 度（比例）。這就是科學家通過恒星光譜分析，就能得到恒星狀態的原因。

通過恒星光譜分析，還能知道恒星的大小和壽命/

科學家們(men) 通過對恒星的長期觀測，發現了一個(ge) 規律，就是質量越大的恒星，光度越高，表麵溫度也越高，這樣就能夠通過一顆恒星的亮度，來推測恒星質量的大小了。

最常用的恒星光譜分類係統是美國哈弗大學天文台在十九世紀末提出的，稱為(wei) 哈佛係統，這個(ge) 係統將恒星光譜分為(wei) O、B、A、F、G、K、M等類型，每個(ge) 光譜型又分為(wei) 10個(ge) 次型，以阿拉伯數字0~9標注。

不過現在觀測到的恒星，最熱的星為(wei) O5，最暗的星為(wei) M5，這樣O型隻有6小類，M型隻有5小類，暫時就隻觀測到61小類。

O型光譜恒星是指大於(yu) 太陽質量20~150倍以上的恒星，呈現藍色，其表麵溫度達到25000~55000K，絕對亮度是太陽的20萬(wan) ~500萬(wan) 倍。這種巨型恒星在銀河係存在很少，約占恒星總數約0.00003%左右。

M型光譜恒星是指最小的恒星紅矮星，質量在太陽的0.4倍以下，最小的隻有太陽質量的0.08倍，表麵溫度2000~3500度。這種恒星是銀河係的主流恒星，占據了恒星總數約76.45%。

太陽屬於(yu) G型光譜，這個(ge) 光譜型恒星包括0.8~1.2倍太陽質量的恒星，呈現黃色，因此又叫黃矮星，表麵溫度在5000~6000度之間，在銀河係約占有7.8%的比重。太陽就是一顆黃矮星，質量為(wei) 1.9896*10^30千克。

恒星光譜還有一些其他的分類方法和類型，這裏就不展開說了。

恒星壽命是與(yu) 質量成反比的，也就是質量越大的恒星，由於(yu) 其內(nei) 部溫度和壓力極高，導致的核反應就越激烈，燃燒得就越快，消耗的燃料就越大，因此壽命就越短；反之壽命就越長。因此，科學家們(men) 通過對恒星光譜分析，得到恒星質量大小，由此又能夠得到恒星壽命長短。

經過對恒星光譜裏麵的元素比例分析，各種元素的豐(feng) 度，就可以得到恒星演化到了哪個(ge) 階段，還有多久的生存期了。這是因為(wei) 恒星從(cong) 一誕生，就在源源不斷地進行著核聚變，使恒星元素組分不斷發生變化。

因此，在恒星演化的不同階段，光譜中的元素豐(feng) 度是不一樣的，通過分析恒星光譜知道了恒星各種元素的豐(feng) 度，就知道了恒星演化大致到了哪個(ge) 階段，從(cong) 而得出其年齡。這有點像對人類年齡的了解，醫生知道了人類在什麽(me) 年齡段的骨密度、機體(ti) 組織狀態等指標，通過看檢查單化驗單就大致知道這個(ge) 人的年齡了。

從(cong) 恒星光譜還能得到恒星與(yu) 我們(men) 的距離/

從(cong) 恒星光譜得到恒星與(yu) 我們(men) 的距離有兩(liang) 個(ge) 常用方法：一是通過恒星的絕對星等與(yu) 目視星等換算，得出恒星距離；二是通過恒星的光譜紅移量或藍移量計算出恒星距離。

絕對星等和目視星等都是恒星亮度的衡量指標，都以數值表示，數值越大則表示越暗，反之越亮，還有負數，負得越多恒星就越亮。每一個(ge) 等級亮度相差2.512倍，因此等級之間的亮度差就是2.512倍的指數。如1等星與(yu) 6等星之間差5等，亮度就相差2.512的5次方倍，約為(wei) 100倍。

絕對星等是恒星的絕對亮度，理論上是將恒星放在10秒差距的同一起跑線上來對比其亮度，因此絕對星等是恒星的真實亮度。秒差距是宇宙天體(ti) 距離單位，1秒差距約3.26光年，10秒差距就是32.6光年。

目視星等簡稱視星等，是人類肉眼看到恒星亮度的感受（包括望遠鏡看到亮度的換算）。由於(yu) 恒星有遠有近，人眼看到的亮度就不能代表恒星的真實亮度，絕對亮度更大的恒星，由於(yu) 距離更遠，看起來會(hui) 反而更暗；而絕對亮度不大的恒星，由於(yu) 其距離很近，卻會(hui) 更亮。

比如太陽的絕對星等為(wei) 4.83等，目視星等為(wei) -26.74等；天狼星A的絕對星等為(wei) 1.42等，目視星等為(wei) -1.47等。從(cong) 這兩(liang) 顆恒星的絕對星等比較，天狼星比太陽要亮300多倍，但目視亮度天狼星與(yu) 太陽就完全無法比較了。

太陽巨大遙遠令人無法直視，天狼星隻是一顆星星，太陽的目視星等亮度比天狼星大128億(yi) 倍。這是因為(wei) 太陽距離我們(men) 隻有1.5億(yi) 千米，而天狼星則有8.6光年，是太陽距離的6萬(wan) 多倍。如果將天狼星移至太陽位置，其亮度將達到-33等，依然是太陽的300多倍。

絕對星等與(yu) 視星等之間的換算關(guan) 係公式為(wei) ：m=M-5log(d0/d)或M=m+5log(d0/d)。前麵公式是已知絕對星等換算出目視星等，後麵公式是已知目視星等換算出絕對星等。式中，m表示目視星等，M表示絕對星等，d0為(wei) 10秒差距（32.6光年），d為(wei) 天體(ti) 實際距離。

從(cong) 公式裏，我們(men) 還可以看出，絕對星等與(yu) 目視星等的關(guan) 係與(yu) 距離成比例關(guan) 係，這樣既然從(cong) 光譜類型可以得到恒星的絕對星等，又可以通過肉眼或望遠鏡確定恒星的視星等，就能換算出恒星與(yu) 我們(men) 的實際距離了。

光譜紅移或藍移法，基於(yu) 凡是以波方式運動的物體(ti) ，都有一個(ge) 多普勒效應。就是波源向我們(men) 靠近時，波長會(hui) 被壓縮縮短，頻率會(hui) 變高；反之波長會(hui) 被拉長，頻率變低。對於(yu) 光波來說，紅光的波長更長，籃紫光的波長更短，因此光波波源遠離我們(men) 的時候，光譜線就會(hui) 向紅端移動；反之向藍紫端移動。

這就叫光譜的紅移和藍移。紅移說明光源正在遠離我們(men) ，藍移說明光源正在靠近我們(men) 。科學家們(men) 通過測量恒星光譜的紅移或藍移值，就能夠得到這顆恒星離開或靠近我們(men) 的速度有多快。

紅移和藍移值與(yu) 速度呈正比例關(guan) 係，值越大，說明速度越快。

現代標準宇宙模型理論認為(wei) ，宇宙正在膨脹，且各向同性，遠方的星係和恒星都在遠離我們(men) 而去，速度與(yu) 距離成線性正比，就是越遠的星係離開速度越快，發現這個(ge) 規律的天文學家埃德溫·哈勃創立了哈勃定律，表述為(wei) ：V= H*D。

這個(ge) 公式裏的V表示遠方星係離開我們(men) 的速度，H為(wei) 哈勃常數，D為(wei) 星係與(yu) 我們(men) 實際距離。由此，如果從(cong) 光譜紅移得到恒星離開我們(men) 的速度，就能通過哈勃常數計算出恒星與(yu) 我們(men) 的距離。

哈勃常數是指在百萬(wan) 秒差距位置，星係離開我們(men) 的速度。歐空局在2013年通過普朗克衛星測得的哈勃常數為(wei) 67.80千米/秒，也就是在326萬(wan) 光年的地方，星係以每秒約67.8千米的速度遠離我們(men) 。

這樣通過紅移值計算出某顆恒星離開我們(men) 的速度為(wei) 每秒1000千米，根據哈勃定律，可以計算出這顆恒星距離我們(men) 為(wei) ：1000/67.8*3260000≈4808萬(wan) 光年。

不過利用光譜紅移計算距離隻適用於(yu) 326萬(wan) 光年以上的距離，因為(wei) 宇宙膨脹是在大尺度範圍的膨脹，在小尺度範圍，宇宙膨脹效應不明顯，天體(ti) 主要還是受引力約束，還會(hui) 相互靠近。如仙女星係與(yu) 銀河係就由於(yu) 相互巨大引力而以每秒約300千米速度靠近，預計在30~40億(yi) 年之間會(hui) 發生碰撞融合。

總之，恒星光譜是每顆恒星的指紋和身份證，其中蘊含著許多恒星信息。科學家們(men) 通過對恒星光譜的分析，就能夠給每一顆恒星建立身份檔案。

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