Absorptionslinien im Zusammenhang mit der Identifizierung von Elementen in weit entfernten Himmelsobjekten

Nun, im Prinzip ist es ziemlich einfach. Das Beispiel der Sonne wird oft in einführenden Astronomie-Praktikumskursen gelehrt. Die Sonne ist ein schönes sauberes Beispiel, weil sie im Vergleich zu allem, was ihr Spektrum verunreinigen könnte, so hell ist. Sie lassen einfach etwas Sonnenlicht durch ein Beugungsgitter (oder einen Schlitz oder ein Prisma), das Sie zuvor kalibriert haben, damit Sie die Wellenlänge jeder Linie messen können, und vergleichen dann das resultierende Absorptionsspektrum mit den Spektren verschiedener Elemente, die Sie sich ansehen könnten in einer Tabelle oder messen Sie von sauberen Proben in Ihrem Labor. Schematisch machst du so etwas:

Von dort aus ist es nur noch eine einfache Angelegenheit, Sonnenspektrumlinien mit bekannten Elementlinien abzugleichen - normalerweise beginnend mit den offensichtlichsten. In diesem Fall sticht das Dublett von Natrium (Na) am meisten hervor. Möglicherweise ist nicht jede Linie eines bestimmten Elements sichtbar - die Bedingungen auf der Sonne sind derart, dass einige elektronische Übergänge (die bestimmten Linien entsprechen) einfach nicht oft genug auftreten, um eine sichtbare Linie zu erzeugen.

Bei schwächeren Sternen wird es komplizierter, weil ihr Spektrum leicht verunreinigt wird. Beispielsweise gibt es sowohl Emissions- als auch Absorptionsmerkmale in der Erdatmosphäre, die gleichzeitig mit einem Sternspektrum gemessen werden, wenn ein bodengestütztes Teleskop verwendet wird. Glücklicherweise haben die Menschen große Anstrengungen unternommen, um die atmosphärischen Linien zu messen und zu modellieren, damit sie so sauber wie möglich aus einem Sternspektrum entfernt werden können.

Eine weitere Komplikation ist die Rot/Blauverschiebung. Die Wellenlänge, bei der eine bestimmte Linie auftritt, ist festgelegt, aber die erfasste Position der Linie kann sich ändern, wenn sich die Quelle bewegt (Dopplerverschiebung), in einem starken Gravitationsfeld befindet (Gravitationsrotverschiebung, z. B. in der Nähe eines Schwarzen Lochs) oder ist in einem expandierenden Universum (kosmologische Rotverschiebung). Glücklicherweise sind alle Linien von einer Quelle um den gleichen Faktor verschoben - zum Beispiel würde eine Quelle mit einer kosmologischen Rotverschiebung von 1 die gemessenen Wellenlängen aller ihrer Linien gegenüber dem, was Sie im Labor messen würden, verdoppeln (Rotverschiebung$z=\lambda_{\rm obs}/\lambda_{\rm emit}-1$). Da die Änderung für alle Zeilen einheitlich ist, können wir immer noch den Abstand zwischen den Zeilen verwenden, um herauszufinden, welche Zeile welche ist. Dies erfordert immer noch ein wenig Rätselraten, normalerweise müssen Sie mit einer starken Linie beginnen und eine fundierte Vermutung darüber anstellen, welcher physikalische Prozess sie verursacht, und dann versuchen, weitere Linien konsistent mit Ihrer Vermutung zu identifizieren.

Schließlich habe ich zufällig ein Beispiel für ein Spektrum herumliegen (es ist aus diesem Papier ). In diesem Fall bewegt sich die Quelle um mehr als$-1000 \rm km/s$relativ zum Teleskop, daher gibt es eine leichte Dopplerverschiebung (Änderung der Wellenlänge um etwa 0,3 %). Die Quelle ist nahe genug, dass die kosmologische Rotverschiebung unwichtig ist.

Hier gibt es eine Reihe von Absorptionslinien. Die bekanntesten sind einige der Wasserstoff-Balmer-Reihen ($n\rightarrow2$Übergänge),$\rm H\alpha$,$\rm H\beta$,$\rm H\gamma$,$\rm H\delta$,$\rm H\epsilon$. Diese sind ein guter Ausgangspunkt, denn wenn einer in der Serie auftaucht, tun es oft auch andere, und sie befinden sich alle in einem Teil des Spektrums, der von der Erde aus leicht zu beobachten ist (nicht durch die Atmosphäre blockiert). Es gibt auch die$\rm H$&$\rm K$Linien von einfach ionisierten$\rm Ca$. Das G-Band ist eigentlich eine Reihe von eng beieinander liegenden Absorptionslinien des$\rm CH$Molekül. Zum Schluss werden die Linien markiert$\oplus$sind Emissionslinien aus der Erdatmosphäre. Die meisten atmosphärischen Linien wurden aus diesem Spektrum entfernt, aber diese hinterließen einige Reste, weil das atmosphärische Modell unvollkommen war. Das Papier zeigt das Spektrum, markiert aber nicht die einzelnen Linien (obwohl es sagt, welche Linien vorhanden sind). Ich hielt einen Vortrag und wollte die einzelnen Zeilen beschriften, also habe ich versucht, sie alle zu identifizieren. Anfangs habe ich ein paar falsche Vermutungen angestellt, aber als ich ein paar der Balmer-Linien herausgefunden hatte, ergab sich der Rest.