星的色與譜_風聞

大家認為夜空是什麼顏色的呢？這時或許大多數人腦海中會浮現出這樣一幅黑白畫：黑色的畫布上點綴着一顆顆一閃一閃的小星星，角落可能還掛着彎彎的月亮。

而實際上，大家晚上仰望星空，應該看到的是一幅彩色的畫卷。對星空攝影比較熟悉的讀者可能會發現，夜空其實並不單調，甚至五顏六色、充滿生機、熱鬧非凡。比如藍色的參宿七、橙色的五車二、紅色的心宿二，還有色彩斑斕、如詩如畫的各種星雲。

圖1 宇宙礁

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圖2 韋斯特隆德2（Westerlund 2）

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圖3 超巨星HR5171附近的星場

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圖4 國家天文台興隆觀測站的冬季星空（攝影：袁鳳芳）

恆星會呈現不同的顏色主要是因為表面有效温度不同，温度高的恆星顏色偏藍，温度低的偏紅。星雲在可見光波段主要依靠附近的恆星照亮。而人眼因為視覺神經構造的原因，在天體太暗時無法分辨其顏色，只有在恆星比較亮的時候才能分辨出它們的顏色。而數碼相機的探測器本身是無法區分顏色的，其主要功能是把光子轉化為電子，並把收集到的電子數清楚。之所以彩色相機能拍出來彩色的圖片，其實是因為使用了多色濾鏡，比如常用的拜爾濾鏡（Bayer-filter）。彩色相機在獲得不同顏色的強度後，按一定算法重新還原物體的顏色。

圖5 拜爾濾鏡[2]

恆星的表面有效温度是描述恆星性質的重要物理參數[1]。對於遙遠的天體也是比較容易測得的物理量之一。並且由於恆星的表面有效温度通常在2,600K-50,000K之間（此處“K”對應中文為“開爾文”，是科學上常用的温度單位之一，該值減去273.15即轉化為我們生活中常用的攝氏温度值），很多恆星在人眼可見的光譜範圍內都有較強的輻射。太陽的表面有效温度約為5,800K，輻射的峯值波長在500nm左右，人類的眼睛在長期的演化過程中逐漸適應了太陽這顆恆星營造的生存環境。事實上恆星在可見光範圍內都有輻射，藍色的恆星並不是只有藍色光，只是在藍色區間輻射的能量最強，所以看起來偏藍。

圖6 恆星表面有效温度與輻射峯值波長的關係

圖片來源：http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/wien.html，並稍作修改，修圖：邱鵬

測量恆星表面有效温度最簡單的辦法是利用濾光片系統。這與彩色相機的濾鏡有點類似，但天文觀測需要精確測量，所以通常是採用多色濾光片系統（常用的有Jonson-Bessel和SDSS濾光片系統）或者使用分色稜鏡組（如菲利普稜鏡組）將不同波長範圍的光分開。從而精確測量不同波長範圍內的光子數，然後通過比較不同波段內光子數的差值（如色指數），結合黑體輻射曲線大致判斷天體的顏色。因為多色濾光片通常是比較粗略的窗函數採樣，所以要得到天體不同波長處更加詳細、更加準確的光子數就需要測量天體的光譜了。

圖7 SDSS濾光片透過率曲線

圖片來源：https://mcdonald.utexas.edu/images/McDonaldObservatory，並稍作修改，修圖：邱鵬

圖8 分色稜鏡組

圖片來源：https://apre-inst.com/products/sci

測量時會涉及兩個概念，一個是恆星的亮度，一個是恆星的光度。亮度是指我們實際測到的天體的光子數，因為天體離我們的距離不同，所以亮度並不能直接反應天體本身的光度。這裏的光度是指天體發出的總輻射。比如，一個100W的燈泡，近距離看它時很刺眼，但是距離1公里看它，就覺得暗多了。

因為恆星輻射近似於有效温度相同的黑體輻射，所以測得了恆星的顏色就可以計算其表面有效温度。恆星表面有效温度與表面每秒單位面積內輻射出的總能量的大小是正相關的，温度越高每秒單位面積內輻射的能量越多。天文學家利用恆星的表面有效温度和光度得到了研究恆星演化的重要工具——赫羅圖。這裏太陽的光度為1，作為其他恆星光度的參考值。比如紅巨星，它的顏色偏紅，其表面有效温度低，但是光度大，那麼必然它是一個很大的天體。因為只有擁有足夠大的表面才能輻射足夠多的能量。

圖9 赫羅圖

圖片來源：https://www.eso.org/public/images/eso0728c，並稍作修改，修圖：邱鵬

精確測量恆星的顏色，就需要獲得其光譜，即將恆星發出的不同波長的光分離出來。一般是採用色散元件將來自天體的光進行色散。常用的色散元件有稜鏡和衍射光柵。另外，也可以利用光的干涉原理進行測量，如法布里－珀羅干涉儀和邁克爾遜干涉儀。

稜鏡是利用光學材料對不同波長的光折射率不同來實現分光的。天體發出的光束入射到稜鏡後，不同波長的光折射率不同，從稜鏡出來時偏轉的角度不同，從而將它們分開。稜鏡色散的優點是連續性好，缺點是色散率低、色散率非線性。地球表面的大氣層也相當於一個稜鏡，斜入射的光束將被色散。稜鏡也可以用來反向修正大氣色散，這就是望遠鏡中常用的大氣色散改正鏡（ADC）。拍攝地平高度較低的天體時，加一個ADC將會獲得不錯的效果。

圖10 稜鏡色散原理示意圖

圖片來源：https://hubpages.com/education/rainbow-science

衍射光柵主要是利用光的波動性來實現光譜分光的。衍射光柵按製作工藝主要分為刻畫光柵和全息光柵兩種。刻畫光柵直觀來講，就是光柵面是一刀一刀刻畫出來的。當然，實際情況是除了母光柵是用光柵刻畫機一條一條的刻出來的，批量化的產品大多是用環氧樹脂等材料復刻出來的，有點像用橡皮泥拓印硬幣表面的圖案。

圖11 光柵光譜儀工作原理和光柵結構示意圖[3]

圖片來源：http://www.analytik.ethz.ch

圖12 交叉色散光譜儀工作原理示意圖

圖片來源：http://www.ucolick.org/~vogt/images，並稍作修改，修圖：邱鵬

圖13 二維光譜圖

圖片來源：https://www.physicsforums.com

全息光柵的製作方式與刻畫光柵完全不同，不需要刻畫過程，而是利用光致光刻膠變性的特性來記錄干涉條紋。使用激光器產生空間干涉條紋，並用光刻膠記錄這些條紋，經過定影、固化處理就獲得了折射率週期性變化的相位光柵。

圖14 全息光柵製作原理及光柵結構示意圖[4-5]

圖片來源：https://www.horiba.com；http://www.kosi.com等網絡，並稍作修改，修圖：邱鵬

得到天體的光譜後，除了可以精確測量顏色和温度外，還可以用譜線的紅移/藍移測量天體的視向運動，也可以根據光譜中的發射線和吸收線來測量天體的元素丰度、自轉、磁場等。

圖15 織女星在400nm~900nm的光譜流量曲線 （繪圖：張曉明）

參考文獻及圖片引用

[1] 魯道夫·基彭哈恩.千億個太陽[M]. 沈良照、黃潤坤, 譯.湖南科學技術出版社, 1996:1-36.

[2] Yu-Cheng F , Yi-Feng C . Discrete Wavelet Transform on Color Picture Interpolation of Digital Still Camera[J]. Vlsi Design, 2013, 2013:1-9.

[3] Christopher Palmer.Diffraction Grating Handbook (7th edition)[M]. Richardson Grating Laboratory, 2014.

[4] Bakanas Ramūnas, Virginija J , Andrejs B , et al. Comparison of diffraction patterns exposed by pulsed and CW lasers on positive-tone photoresist[J]. Applied Optics, 2017, 56(8):2241.

[5] Sabel T , Lensen M C . Function and structure – Combined optical functionality and specific bio-interaction for multifunctional biomedical materials[C]. Euro Biomat. 2017.

作者簡介

張曉明，工學博士，中國科學院國家天文台高級工程師。主要研究方向為光學天文觀測技術與方法、光學天文觀測儀器光機系統設計。