نور، پیام‌رسان کیهان: طیف‌سنجی (Light & Spectroscopy)
تقریباً هر چی از کیهان می‌دونیم با نور به دستمون رسیده. خوندنش رو یاد بگیر: طیف چیه، خط‌های تاریک چطور لو می‌دن ستاره از چی ساخته شده، و جابه‌جایی همون خط‌ها چطور حرکت رو نشون می‌ده.
یه خانواده
نور خیلی بیشتر از چیزیه که می‌بینی
نور یه موجه و طول موجش تعیین می‌کنه از چه نوعیه. نور مرئی از بنفش (حدود ۴۰۰ نانومتر) تا قرمز (حدود ۷۰۰ نانومتر) رو می‌گیره. موج رو بلندتر کنی می‌شه فروسرخ، میکروویو و موج رادیویی. کوتاه‌ترش کنی می‌شه فرابنفش، پرتو ایکس و پرتو گاما. همه‌شون یه چیزن و با یه سرعت حرکت می‌کنن.
مودم وای‌فای، دستگاه رادیولوژی بیمارستان و یه شمع، هر سه نور تولید می‌کنن. چشم تو فقط اون باریکه‌ی وسط رو می‌گیره؛ برای همین اخترشناس‌ها برای بقیه‌ی باریکه‌ها تلسکوپ‌های جداگونه می‌سازن.
طیف نوری (Spectrum)
نوری که به ترتیب طول موج پخش شده، جوری که بشه دید از هر رنگ چقدر توش هست. منشور این کار رو می‌کنه، قطره‌های بارون هم همین‌طور.
رنگین‌کمون طیف نور خورشیده. دستگاهی به اسم طیف‌نگار همین کار رو با نور یه دونه ستاره می‌کنه، فقط با جزئیات خیلی بیشتر.
خودت رو امتحان کن
نوره یا یه چیز دیگه؟
- موج رادیویی که گزارش فوتبال رو پخش می‌کنه
- صدای رعد
- پرتو ایکس تو دندون‌پزشکی
- گرمایی که از بخاری اون‌ور اتاق حس می‌کنی
- موج‌های دریا
- میکروویو توی دستگاه مایکروفر
جواب رو ببین
یه جور نوره: موج رادیویی که گزارش فوتبال رو پخش می‌کنه, پرتو ایکس تو دندون‌پزشکی, گرمایی که از بخاری اون‌ور اتاق حس می‌کنی, میکروویو توی دستگاه مایکروفر
نور نیست: صدای رعد, موج‌های دریا
اثر انگشت
هر عنصر خط‌های خودش رو داره
اتم‌ها سخت‌گیرن. هر عنصر فقط تو یه دسته طول موج دقیق مخصوص خودش نور جذب می‌کنه و پس می‌ده. هیدروژن یه دسته داره، سدیم یه دسته‌ی دیگه، آهن یه دسته‌ی دیگه. وقتی نور دل داغ ستاره از گاز خنک‌تر لایه‌های بیرونیش رد می‌شه، اتم‌های اونجا طول موج‌های خودشون رو برمی‌دارن. طیف ستاره با یه سری خط تاریک باریک به دست ما می‌رسه، و الگوی این خط‌ها می‌گه چه عنصرهایی اونجان.
یه ذره نمک بریز رو شعله‌ی گاز؛ شعله زرد-نارنجی می‌شه. این سدیمه که داره طول موج خودش رو پس می‌ده. همین خط زرد، به شکل یه جای خالی تاریک، تو طیف خورشید هم هست.
بارکدی که روی نور ستاره چاپ شده
اسکنر فروشگاه در جعبه رو باز نمی‌کنه؛ الگوی خط‌های تیره رو می‌خونه و می‌فهمه توش چیه. طیف ستاره هم همین‌جوره: جای خط‌های تاریک رو اندازه می‌گیری، با الگوهایی که تو آزمایشگاه‌های زمین ثبت شده مقایسه می‌کنی، و مواد تشکیل‌دهنده رو داری. جایی که این تشبیه جواب نمی‌ده: ستاره ده‌ها بارکد رو روی هم چاپ کرده و دماش هم روی پررنگی هر کدوم اثر داره، پس خوندنش دقت می‌خواد.
خودت رو امتحان کن
شیرین نور یه ستاره‌ی دور رو به طیف تبدیل می‌کنه. دقیقاً تو همون طول موج‌هایی که هیدروژن و سدیم تو آزمایشگاه نشون می‌دن، خط تاریک می‌بینه. نتیجه‌ی منطقی چیه؟
- ستاره فقط از سدیم ساخته شده
- ستاره هیدروژن و سدیم نداره، چون اون رنگ‌ها نیستن
- تو لایه‌های بیرونی ستاره هیدروژن و سدیم هست
- گرد و خاک روی آینه‌ی تلسکوپ جلوی اون رنگ‌ها رو گرفته
جواب رو ببین
تو لایه‌های بیرونی ستاره هیدروژن و سدیم هست
درسته. اون رنگ‌ها نیستن چون اتم‌های هیدروژن و سدیم گاز بیرونی ستاره جذبشون کردن. جای خالی تو نور، نشونه‌ی بودن اون عنصره.
حرکت
اثر دوپلر
وقتی آمبولانس از کنارت رد می‌شه، صدای آژیرش بم‌تر می‌شه. وقتی داره میاد سمتت موج‌های صدا فشرده می‌شن و وقتی دور می‌شه کش میان. نور هم همین کار رو می‌کنه. اگه یه ستاره یا کهکشان داره از ما دور می‌شه، کل الگوی خط‌هاش سُر می‌خوره سمت طول موج‌های بلندتر و قرمزتر: انتقال به سرخ (Redshift). اگه داره میاد سمت ما، الگو سُر می‌خوره سمت آبی. هر چی جابه‌جایی بیشتر، حرکت سریع‌تر.
شکل الگو عوض نمی‌شه، برای همین اخترشناس‌ها هنوز هیدروژن رو می‌شناسن؛ فقط سر جاش نیست. اینکه چقدر جابه‌جا شده سرعت رو به کیلومتر در ثانیه می‌ده.
خودت رو امتحان کن
- کهکشان A: یه خط هیدروژن که تو آزمایشگاه روی ۶۵۶ نانومتره، روی ۶۷۰ نانومتر دیده می‌شه.
- کهکشان B: همون خط هیدروژن روی ۶۵۵ نانومتر دیده می‌شه.
فرق این دوتا کهکشان چیه؟
- A داره از ما دور می‌شه، B داره میاد سمت ما
- A خیلی داغ‌تر از B هست
- A یه جور هیدروژن دیگه داره
- B اصلاً هیدروژن نداره
جواب رو ببین
A داره از ما دور می‌شه، B داره میاد سمت ما
آره. ۶۷۰ از ۶۵۶ بلندتره، پس نور A کش اومده: انتقال به سرخ، یعنی داره دور می‌شه. ۶۵۵ یه کم کوتاه‌تره: یه انتقال به آبی کوچیک، یعنی داره میاد سمت ما. جابه‌جایی A خیلی هم بزرگ‌تره، پس سریع‌تر حرکت می‌کنه.
دوتا پیام متفاوت تو یه نور
رنگ کلی
دما رو می‌گه. ستاره‌ی خنک قرمز می‌تابه، با سطحی حدود ۳٬۰۰۰ درجه. خورشید زرد-سفیده با حدود ۵٬۵۰۰ درجه. داغ‌ترین ستاره‌ها آبی-سفیدن، خیلی بالاتر از ۱۰٬۰۰۰ درجه. همون ترتیبیه که یه تیکه فلز وقتی داغش می‌کنی طی می‌کنه.
خط‌های باریک
مواد و حرکت رو می‌گن. اینکه کدوم خط‌ها هستن می‌گه چه عنصرهایی اونجاست. اینکه نسبت به آزمایشگاه کجا نشستن می‌گه ستاره داره نزدیک می‌شه یا دور، و با چه سرعتی.
خودت رو امتحان کن
آرش یه شب زمستونی صورت فلکی شکارچی (جبار) رو پیدا می‌کنه. ستاره‌ی شونه‌ش، اِبط‌الجوزا، کاملاً نارنجی-قرمزه. ستاره‌ی پاش، رِجل‌الجبار، آبی-سفیده. سطح کدومشون داغ‌تره؟
- اِبط‌الجوزا، چون قرمز رنگ داغیه
- رِجل‌الجبار، چون آبی-سفید یعنی سطح داغ‌تر از قرمز
- مثل همن، چون رنگ فقط به فاصله ربط داره
- فقط از روی رنگ هیچی نمی‌شه گفت
جواب رو ببین
رِجل‌الجبار، چون آبی-سفید یعنی سطح داغ‌تر از قرمز
درسته. چیزهای داغ هر چی داغ‌تر بشن از قرمز می‌رن به زرد، بعد سفید، بعد آبی. سطح رِجل‌الجبار تقریباً سه برابر اِبط‌الجوزا داغه.
خودت رو امتحان کن
خط‌های طیفی کهکشان آندرومدا یه کم به سمت آبی جابه‌جا شدن. این به اخترشناس‌ها می‌گه آندرومدا از کهکشان‌های دیگه داغ‌تره.
جواب رو ببین
نادرست
غلطه. جابه‌جا شدن جای خط‌ها به حرکت ربط داره، نه دما. انتقال به آبی آندرومدا یعنی داره میاد سمت ما، با سرعت تقریباً ۱۱۰ کیلومتر در ثانیه. دما رو از رنگ کلی و از اینکه کدوم خط‌ها پررنگن می‌شه فهمید.
مرور درس
- موج رادیویی، فروسرخ، نور مرئی، پرتو ایکس و گاما همه نورن؛ فقط طول موجشون فرق داره.
- هر عنصر طول موج‌های دقیق خودش رو جذب می‌کنه، پس خط‌های تاریک طیف ستاره فهرست موادشه.
- رنگ کلی ستاره دمای سطحش رو می‌گه: قرمز خنکه، آبی-سفید داغه.
- خط‌هایی که سمت قرمز رفتن یعنی دور شدن از ما؛ سمت آبی یعنی نزدیک شدن. اندازه‌ی جابه‌جایی سرعت رو می‌ده.
- نور ستاره‌ها رو که این‌جوری بخونی، معلوم می‌شه بیشترشون هیدروژن و هلیومه.