顏色通常是部分波長(zhǎng)的電磁波（可見(jiàn)光波段）被人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)感知后的產(chǎn)物。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，伽馬射線到無(wú)線電都是電磁波，只是絕大部分都是我們?nèi)祟?lèi)無(wú)法直接感知的，我們視覺(jué)系統(tǒng)可見(jiàn)的那很小一部分被稱(chēng)為可見(jiàn)光。

 

在牛頓之后，英國(guó)化學(xué)家兼物理學(xué)家威廉·海德·沃拉斯頓（William Hyde Wollaston）在1802年研究各種透明物體的折射特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)色散后的太陽(yáng)光譜中存在一些暗線（沒(méi)有顏色），他當(dāng)時(shí)以為這是不同顏色的分界線，并沒(méi)有進(jìn)一步研究，錯(cuò)過(guò)了開(kāi)啟一個(gè)新學(xué)科的機(jī)會(huì)。十五年后，約瑟夫·馮·夫瑯禾費(fèi)（Joseph von Fraunhofer）基于衍射光柵發(fā)明了光譜儀，并獨(dú)立地再次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的暗線，他發(fā)現(xiàn)有574條這樣的暗線，這就排除了沃拉斯頓關(guān)于顏色分界線猜想。然而當(dāng)時(shí)夫瑯禾費(fèi)的興趣也不在太陽(yáng)光譜，并沒(méi)有關(guān)心這些現(xiàn)象背后的理論，他基于光柵光譜儀精確測(cè)量了每條暗線對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，只是使用它們來(lái)標(biāo)校玻璃的折射率（他是當(dāng)時(shí)世界上最好的玻璃制造商）。待后人搞清楚這些暗線的由來(lái)后，為了紀(jì)念這位“使我們更加接近星星”的人（夫瑯禾費(fèi)的墓志銘“He brought us closer to the stars”），這些太陽(yáng)光譜上的暗線被稱(chēng)為“夫瑯禾費(fèi)線”。

 

夫瑯禾費(fèi)線（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

 

光譜分析，現(xiàn)代天文學(xué)的鑰匙

 

這些暗線的謎底一直到1859年才得以揭開(kāi)。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道，不同的金屬或者金屬化合物（通常叫金屬鹽，比如食鹽是氯化鈉，又叫鈉鹽）可以改變火焰的焰色。并且已經(jīng)觀察到鈉鉀鋰銅等金屬鹽的火焰顏色，這種金屬或金屬鹽在無(wú)色火焰中灼燒時(shí)使火焰呈現(xiàn)特殊顏色的反應(yīng)就叫做焰色反應(yīng)。1958年前后，德國(guó)化學(xué)家羅伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）進(jìn)行逆向思考，既然不同的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同顏色的火焰，那么是否可以用不同的火焰顏色來(lái)分析和區(qū)分元素呢？于是他發(fā)明了沒(méi)有火焰的“本生燈”，來(lái)測(cè)試各種金屬和金屬鹽的火焰。但是這種方式顏色分辨誤差大，并且無(wú)法測(cè)試一些金屬鹽的溶液。后來(lái)他的朋友，德國(guó)物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）建議采用光譜儀來(lái)替代簡(jiǎn)單的顏色來(lái)區(qū)分元素。

 

本生和基爾霍夫基使用光譜儀進(jìn)行化學(xué)分析的裝置（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

 

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，他們證實(shí)了每個(gè)元素都會(huì)產(chǎn)生一組獨(dú)特的譜線，即在特定波長(zhǎng)的位置表現(xiàn)為特定的亮線或者暗線（取決于照明方式），并且繪制了幾種常見(jiàn)物質(zhì)的特征譜線。基于這種方法他們還發(fā)現(xiàn)了兩種新的元素銣和銫。

 

實(shí)驗(yàn)中基爾霍夫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)光和納元素火焰一起進(jìn)入光譜儀時(shí)，原本出現(xiàn)的明亮發(fā)射譜線變成了暗線。于是他又使用當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是連續(xù)光譜的石灰光進(jìn)行照明，依舊發(fā)現(xiàn)光譜中來(lái)的亮線位置變成了暗線。后來(lái)經(jīng)過(guò)一些列驗(yàn)證之后，他們終于得出結(jié)論，原來(lái)某些物質(zhì)本身加熱后的光譜表現(xiàn)為亮線（發(fā)射譜線），而這些物質(zhì)的氣體分子或原子被連續(xù)光譜照明時(shí)，則表現(xiàn)為暗線（吸收譜線）。他們進(jìn)而想到太陽(yáng)光譜中的夫瑯和費(fèi)線，認(rèn)為因?yàn)樘?yáng)輻射從內(nèi)往外傳輸?shù)倪^(guò)程中，被太陽(yáng)表面大氣中的鈉元素吸收后導(dǎo)致的（后來(lái)研究表明還有一部分暗線是地球大氣中某些元素吸收所致）。結(jié)合他們手頭的工作，既然光譜可以分析化學(xué)的成分，他們立刻想到，那也可以通過(guò)對(duì)這些暗線進(jìn)行研究，來(lái)判定太陽(yáng)的物質(zhì)組成！時(shí)隔一百多年，我似乎還能感受到他們得出這一結(jié)論時(shí)的狂喜與興奮。要知道這在當(dāng)時(shí)是不可想象的事情，這對(duì)于研究遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)和星體具有劃時(shí)代的意義，也從此開(kāi)啟了天體光譜學(xué)領(lǐng)域的大門(mén)。根據(jù)光譜分析法，他們先后發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)上還有氫鈉鐵鈣鎳等元素。后來(lái)經(jīng)過(guò)多年后研究，人們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)的化學(xué)成分與地球類(lèi)似，只是比例不同而已。

 

鈉元素特征譜線，上圖為吸收譜線，下圖為發(fā)射譜線。（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

 

說(shuō)到這里，有個(gè)很有趣的插曲，我們知道化學(xué)元素氦元素又叫做太陽(yáng)元素，它的英文名稱(chēng)Helium來(lái)自于希臘神話中太陽(yáng)神Helios。那是因?yàn)樵缭?895年地球上發(fā)現(xiàn)氦氣的27年前，法國(guó)天文學(xué)家皮埃爾·朱爾·塞薩爾·讓森（Pierre Jules César Janssen）和英國(guó)科學(xué)家約瑟夫·諾曼·洛克耶（Joseph Norman Lockyer）就已經(jīng)獨(dú)立地通過(guò)觀察太陽(yáng)光譜發(fā)現(xiàn)了這種未知元素的存在并且進(jìn)行了命名。

 

簡(jiǎn)單地梳理一下，牛頓基于顏色的研究開(kāi)啟了光譜學(xué)的大門(mén)。隨后在19世紀(jì)初，沃拉斯頓和夫瑯禾費(fèi)發(fā)現(xiàn)了這些連續(xù)的太陽(yáng)光譜中存在一些吸收線。另一方面，化學(xué)研究中開(kāi)始基于焰色反應(yīng)——不同元素的火焰的顏色——來(lái)確定元素，而物理學(xué)家基爾霍夫終于建立起元素發(fā)射線和太陽(yáng)光譜吸收線之間的關(guān)系，并且最終推開(kāi)了基于光譜來(lái)對(duì)天體進(jìn)行物質(zhì)分析的大門(mén)。

 

太陽(yáng)大氣的分層結(jié)構(gòu)與“CT”成像

 

經(jīng)過(guò)兩百年的發(fā)展，人們終于搞清楚了太陽(yáng)光譜以及夫瑯禾費(fèi)線，并且發(fā)展出基于光譜分析的天體光譜學(xué)，來(lái)對(duì)浩瀚的宇宙進(jìn)行精確的觀測(cè)。光譜學(xué)除了用在鑒定太陽(yáng)和其他天體的物質(zhì)組成外，還可以測(cè)量天體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度（多普勒效應(yīng)）、溫度、密度。以及進(jìn)一步反推能量來(lái)源及傳遞機(jī)制等等。如今這種技術(shù)已經(jīng)成為我們研究太陽(yáng)的重要手段之一。

 

通過(guò)光譜分析我們可以知道太陽(yáng)大氣的物質(zhì)組成，要是能夠直接看到太陽(yáng)表面的圖像豈不是更好？這對(duì)于研究太陽(yáng)能量傳遞和物質(zhì)演化過(guò)程具有不可替代的作用。這就是太陽(yáng)物理研究的另一個(gè)重要的工具——高分辨力成像。而決定分辨率的最主要因素就是望遠(yuǎn)鏡的口徑，這也是天文望遠(yuǎn)鏡口徑越來(lái)越大的原因。

 

但是光有大口徑的望遠(yuǎn)鏡似乎還不夠。我們知道，太陽(yáng)大氣分為光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰釋?，其中光球和色球?qū)拥暮穸染瓦_(dá)到2500公里。我們通常觀測(cè)到的太陽(yáng)表面結(jié)構(gòu)，主要來(lái)自光球?qū)樱热缣?yáng)米粒、太陽(yáng)黑子等等。

 

太陽(yáng)大氣層狀結(jié)構(gòu)

 

前面我們介紹過(guò)，連續(xù)譜的太陽(yáng)光在由內(nèi)向外輻射的過(guò)程中，穿過(guò)太陽(yáng)大氣時(shí)會(huì)被某些元素吸收形成夫瑯禾費(fèi)吸收譜線。于是科學(xué)家就想，如果可以研制出透射波長(zhǎng)的帶寬非常窄的濾光器，只針對(duì)這條譜線進(jìn)行成像，是不是就可以拍攝出對(duì)應(yīng)元素所在位置的太陽(yáng)表面圖像了呢？答案是肯定的。但是理解起來(lái)似乎有點(diǎn)困難，你不是說(shuō)太陽(yáng)大氣中的元素把對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜都吸收了嗎？怎么還會(huì)有圖像呢？為什么這個(gè)譜線的圖像就是元素所在位置的圖像呢？為了解釋這個(gè)問(wèn)題，我們來(lái)看下圖，圖中我們以氫元素層的吸收為例來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。雖然太陽(yáng)輻射是呈360°的發(fā)散狀輻射，但是考慮到地球和太陽(yáng)的距離，地球上只能接收到很小角度過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光，我們這里假定是只有一個(gè)方向的輻射可以到達(dá)地球（平行光）。

 

基于太陽(yáng)大氣吸收線分層觀測(cè)的原理

 

原本從太陽(yáng)光球發(fā)射出來(lái)很多光子，若是沒(méi)有太陽(yáng)大氣中的吸收層，那么朝向地球的光就會(huì)被望遠(yuǎn)鏡收集得到光球?qū)拥南?；但是太?yáng)大氣色球?qū)又杏幸粚託湓亍墓馇驅(qū)影l(fā)出的光到達(dá)氫元素層時(shí)，其中656.281nm波長(zhǎng)的太陽(yáng)光就會(huì)被氫原子吸收掉，只是吸收了太陽(yáng)光的氫元素并不穩(wěn)定，會(huì)在很短的時(shí)間能再將吸收的光子釋放掉。然而再發(fā)射出來(lái)的光子方向是隨機(jī)的，這就導(dǎo)致經(jīng)過(guò)“吸收—發(fā)射”這一過(guò)程后，很多原本朝向地球的光子被改變了傳播方向，從而沒(méi)法進(jìn)入地球上的望遠(yuǎn)鏡。這就是為什么在太陽(yáng)光譜中，在氫元素譜線對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置（656.281nm）呈現(xiàn)暗線（注意只是能量相對(duì)其他波段有所減弱，并不是完全沒(méi)有）。由于這些光子都是從氫原子層發(fā)射出來(lái)的，如果對(duì)這個(gè)波段成像，自然可以得到氫元素層的圖像。為此我們通過(guò)觀測(cè)Ha（氫元素吸收線，中心波長(zhǎng)656.281nm）波段圖像，就可以得到太陽(yáng)大氣色球?qū)拥膱D像。

 

更進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，一些元素主要分布在太陽(yáng)大氣的不同高度，并且不同吸收線還能研究特定的太陽(yáng)物理問(wèn)題。比如前面說(shuō)的氫元素吸收線Ha 線，就位于色球?qū)又胁浚烩}元素的一條吸收線 Ca II IR線（854.21nm）主要集中在色球?qū)拥撞?；而氦元素吸收線He I 線（1083.0nm）則主要位于色球?qū)禹敳?；至于鐵元素吸收線Fe I 線（1565.29nm）則主要集中在光球?qū)印?/div>