2022-07-09 10:39:17

什么是电磁频谱?

Electromagnetic spectrum: Vertical stripes of color fading from red through yellow, green, blue to purple.

电磁波谱是一种范围很广的光;其中大部分是我们用眼睛看不到的。这是组成光谱可见部分的颜色。通过上面的形象。

电磁频谱

当你想到光的时候,你可能会想到你的眼睛能看到什么。然而,我们人类眼睛能探测到的光只是所有光的一小部分。电磁波谱是科学家用来描述存在的光的全部范围的术语。从无线电波到伽马射线,宇宙中大部分的光,我们实际上是看不见的。

光是一种电场和磁场交变的波。光的传播与穿过海洋的波没有太大的不同。和其他波一样,光也有一些基本特性。例如,一个是它的频率,单位是赫兹/ (Hz),它计算一秒钟内经过一个点的波的数量。另一个密切相关的性质是波长:从一个波峰到下一个波峰的距离。事实上,这两个属性是负相关的。频率越大,波长越小,反之亦然。

Line of colors fading from red to violet with ROY G BV above them.

你可以用助记符ROY G BV记住可见光谱中颜色的顺序。图片来自田纳西大学。

我们的眼睛能看见可见光

你眼睛探测到的电磁波——可见光——在400到790太赫兹(THz)之间振荡。换句话说,就是每秒几百万亿次。作为一个例子,波长大致相当于一个大型病毒的大小:390 - 750纳米(1纳米= 10亿分之一米;一米大约39英寸长)。我们的大脑将不同波长的光解读为不同的颜色。例如,红色的波长最长,紫色的波长最短。当我们让阳光穿过棱镜时,我们看到它实际上是由许多波长的光组成的。棱镜通过将每个波长以略微不同的角度重新定向而产生彩虹。

Diagram of spectrun showing scale of wavelengths from radio to gamma rays.

整个电磁波谱不仅仅是可见光。它包含了我们肉眼看不到的一系列波长的能量。图片来自Wikimedia Commons。

但光不会止步于红色或紫色。事实上,就像有些声音我们听不到一样,我们的眼睛也无法探测到很大范围的光。一般来说,较长的波长来自太空中最冷、最暗的区域。同时,较短的波长测量极具能量的现象。

电磁波谱中最酷的部分

天文学家利用整个电磁波谱来观察各种各样的事物。无线电波和微波是波长最长、能量最低的光。考虑到这一点,它们被用来观察密集的星际云内部,并跟踪冷、暗气体的运动。射电望远镜被用来绘制我们星系的结构。此外,微波望远镜对大爆炸的余辉很敏感。

Large wispy oval, red on one end, blue on the other.

这张来自甚大基线阵列(VLBA)的图像显示了M33星系的样子,如果你能在无线电波中看到的话。这张图片描绘了星系中的氢原子气体。不同的颜色表示气体的速度:红色表示气体远离我们,蓝色表示气体接近我们。图片通过NRAO/ AUI。

红外望远镜擅长于在星际尘埃带中寻找凉爽、昏暗的恒星。此外,它们甚至可以测量其他太阳系行星的温度。红外光的波长足够长,可以穿过云层,否则就会挡住我们的视线。通过使用大型红外望远镜,天文学家通过我们星系的尘埃带观测银河系的核心。

Dense starfield with bright patches, streaks and blobs.

这张来自哈勃和斯皮策太空望远镜的图像显示了银河系300光年的中心,如果我们的眼睛能看到红外能量,我们就能看到它。这张照片显示了大质量的星团和旋转的气体云。图片来自NASA/ ESA/喷气推进实验室/ Q.D. Wang/ S. Stolovy。

大多数恒星都发出可见光

大多数恒星发出的电磁能量大部分是可见光,这是光谱中我们眼睛敏感的一小部分。因为波长与能量相关,所以恒星的颜色告诉我们它的温度:红色的恒星温度最低,蓝色的恒星温度最高。最冷的恒星几乎不会发出任何可见光;只有用红外望远镜才能看到它们。

能量更大的紫外线

在波长比紫色短的地方,我们发现了紫外线,或UV,光。你可能对紫外线很熟悉,因为它会让你晒伤。天文学家用它来寻找最有能量的恒星,并确定恒星诞生的区域。当用紫外望远镜观察遥远的星系时,大部分的恒星和气体都消失了,而所有的恒星摇篮都出现在视野中。

Oblique spiral with yellow center and arms made of thousands of shining pale blue dots.

这张螺旋星系M81在紫外线下的照片,是由GALEX太空天文台拍摄的。明亮的区域显示了螺旋臂中的恒星托儿所。通过NASA图像。

能量最高的光:x射线和伽马射线

在紫外线之外是电磁光谱中最高的能量:x射线和伽马射线。我们的大气层阻挡了这种光,所以天文学家必须依靠太空中的望远镜才能看到x射线和伽马射线宇宙。x射线来自奇异的中子星,中子星是围绕黑洞旋转的过热物质漩涡。或者来自星系团中被加热到数百万度的弥散气体云。

与此同时,伽马射线——波长最短的光,对人类是致命的——揭开了暴力事件的面纱。其中包括超新星爆炸、宇宙放射性衰变,甚至反物质的破坏。伽马射线爆发是宇宙中最具能量的奇异事件之一。它们是恒星爆炸产生黑洞时,来自遥远星系的伽马射线的短暂闪烁。

Hand-shaped blue gas cloud with crown of yellow-orange spots above finger end.

如果你能远距离观察x射线,你就能看到脉冲星PSR B1509-58周围的星云。这张图片来自钱德拉x射线天文台。这颗脉冲星距离地球17000光年,是超新星爆发后恒星内核的快速旋转残骸。通过NASA图像。