星光能传递给我们哪些信息

光是我们认识世界的重要信息。这连上帝都知道，在他创造了天地之后就说：要有光，于是就有了光。光其实是一种电磁波，能量与它的频率成正比，比例系数就是普朗克常数。电磁波在真空中以光速传播，频率和波长的乘积等于光速。电磁波的波长越大，频率就越小，能量也就越低。

可见光只是电磁波的一小段，它的波长为400到700纳米。比可见光波长短的电磁波可以分为紫外线、X射线和伽马射线，比可见光波长长的电磁波分为红外线、微波、无线电波。我们听收音机时使用的波段为无线电波，5G信号使用的是微波波段。很明显，电磁波是可以携带信息的。因此通过测量电磁波，我们可以破解其携带的各种信息密码。

图1. 电磁波的分类

由于电磁波的频率范围很宽，对不同波段的电磁波探测方法也不一样。但从原理上来说不外乎两点：确定电磁波的频率，记录电磁波单位时间内被探测器俘获的数目。用光速除以频率可以得到电磁波的波长，因而可以画出一个横轴为波长，纵轴为电磁波数目的电磁波分布图，如果该分布为普朗克分布，则测量的对象就可以认为是黑体，它的辐射就是黑体辐射。也可以把电磁波的频率转换成能量做为横轴，纵轴仍然是计数画图，我们把这样的图做能谱。如果测量的波长范围集中在可见光波段，则得到的谱就是光谱。对能谱进行积分得到电磁波的总能量，它在可见光波段被称做亮度。亮度在恒星观测时通常用另外一个名字叫视星等，根据习惯，人们把天空中最亮的星叫一等星，次亮的星叫二等星，依此类推......。越亮的恒星它的视星等就越小。如牛郎星为0.77，织女星为0.03，天狼星为−1.45，太阳为−26.7，满月为−12.8，金星最亮时为−4.89。视星等与探测器对恒星所张的立体角有关系，如果探测器足够大，能把恒星全包住，这时探测器测量的总能量即为恒星的光度。对于口径相同的望远镜，用其观测恒星得到的视星等由恒星的光度与望远镜到恒星距离有关系。光度相同的恒星距离越远视星等就越大，距离越近视星等就越小。有了这些基础知识，我们就可以看看从星光测量能获得哪些信息。

1、首先能获得恒星的温度信息，这一点我在以前的博文中谈过，请感兴趣的读者回翻一下。

2、其次能获得恒星的距离信息。通过测量恒星的视星等，如果知道恒星的绝对星等m，我们就可以通过距离模数来获得恒星的距离信息。绝对星等是假定把恒星放在距地球10秒差距（32.6光年）的地方测得的恒星的亮度M。视星等、绝对星等与距离之间的关系为：

造父变星的绝对星等可以根据其光变周期获得，Ia类超新星的绝对星等约为-19.3，有了这些标准烛光，我们就可以获得恒星的距离信息了。

3、星光还能告诉我们恒星的光度信息。有了距离和探测器的面积，我们可以把探测器的面积放大到4πd² (d为探测器离恒星的距离)，放大倍数再乘以望远镜测量的亮度就可以获得恒星的光度信息。把恒星的光度和温度信息画在一张图（赫罗图）上，我们就可以获得恒星的其它一些信息，比如恒星的半径，恒星的质量等。

图2. 恒星的赫罗图

4、如果望远镜背后的探测系统足够好，我们还可以把恒星光谱分的足够细致，这时后会发现恒星光谱中有一些暗线。这些暗线与恒星表面的一些元素有关，是这些元素的吸收线。根据吸收线的波长，我们可以确定恒星表面存在哪些元素。线的强度代表着元素的相对丰度。

图3. 各种元素的谱线

5、如果把望远镜看向银河系以外的恒星，我们会发现观测到的谱线与地球附近的恒星相比会有一定的偏移。这种偏移科学家称之为红移，红移的大小与星系的退行速度有关系。因此，我们可以根据谱线红移来测量河外星系的远离速度。

图4. 河外星系元素谱线的红移示意图

总之，星光中包含着许许多多恒星的秘密，细细解读我们可以从中获取对恒星的认知。难怪《观测天体物理学》的作者莱纳说：电磁辐射实质上携带了建立现代天体物理学的全部信息。英国著名的天体物理学家霍伊尔也曾经说过：我们知觉的各个方面都受到辐射和电磁相互作用的影响。

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