然而,如果對星光進行更仔細的分析,還可以得到更多的信息。牛頓在17世紀60年代曾做了一項具有重大意義的工作。他讓一束白光通過玻璃三棱鏡,在棱鏡後麵的紙屏上觀察到了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色彩虹。他敏銳地意識到,白光原來是各種顏色的單色光混合而成的。牛頓稱這種按順序排列的單色光為光譜。1814年,德國人夫琅和費在太陽光中又有了新的發現。他本來是一位能幹的光學儀器製造者,當時在研究一種精確測定不同成分、類型的玻璃對不同顏色光束折射率的方法。他聽說另一位德國科學家沃拉斯頓曾經在太陽光譜中發現了某些暗的條紋,因此希望用這些暗線做他對玻璃折射率測量的標記,於是他著手重複牛頓和沃拉斯頓做過的實驗。由於夫琅和費使用的儀器比他的前人完備得多,他得到的光譜被放大了很多倍而非常有利於仔細觀察。夫琅和費數出了太陽光譜中的多達700條不等間隔的暗線(在現代條件下觀察到的暗線已達約100萬條)。直到今天,我們還稱這些太陽光譜暗線為“夫琅和費線”。
但是,夫琅和費線是怎樣形成的?它們究竟意味著什麼?人們對此在一段時間內卻茫然不知。到了1856年,化學家本生發明了燃燒煤氣的“本生燈”。當他在燈的白色火焰中撒入不同的化學物質時,火焰會變得帶有某種色彩。隨後,本生和基爾霍夫開始通過棱鏡來觀察這些彩色的火焰。他們在棱鏡後麵看到了一條條的光譜線。而且,不同的化學物質所產生的光譜線在光譜中出現的位置也不相同。於是他們得出一個振奮人心的結論,即每一種化學物質都有它自己的特征譜線。這就有點像我們每個人都有與他人不同的特征指紋一樣。天文學家們很快地接受了本生和基爾霍夫的研究成果。他們設想,用棱鏡來分析來自天體的光,通過研究譜線的不同位置(即不同波長或說不同顏色),並將其與地球上實驗室中得到的不同物質的特征譜線相比較,就有可能確定該天體中都含有哪些元素及含量的多少(含量與光譜線強度有關)。這樣,一種嶄新的天體光譜分析技術從此誕生了。
人們還發現,如果在實驗室中通過棱鏡直接觀察一些熾熱物體所發出的光,看到的是從紅到紫的連續彩虹,其中並沒有亮線和暗線。這種連續彩虹叫連續譜。但如果透過某種物質的氣體或蒸氣來觀察熾熱物體所發出的光時,在連續譜中就會出現暗線。而如果改在某個角度上觀察這種氣體或蒸氣時,情況就又不同了,看到的是在暗背景上出現的亮線。科學家們進而認識到,暗線是由物質對特定波長的光能量吸收形成的,亮線是由物質對特定波長的光能量發射形成的。因此,暗線又稱吸收線,亮線又稱發射線。一種物質的特征譜線有時是亮線,有時是暗線,這取決於它所處的物理狀態和觀察的方式。但不管是吸收線還是發射線,其位置(即波長)在一般條件下總是不變的。用另一位科學家克希霍夫的話來說,就是“如果讓產生連續譜的光源發出的光穿過比較冷的氣體(或蒸氣),那麼氣體就從光譜的全部光線中隻吸收那些它自己在熾熱狀態下發射的光線”。
那麼,一種物質為什麼能發射或吸收一定波長的光呢?這是個不容易一下子弄清楚的問題,它使科學家們困惑了很多年。到了1931年,年輕的丹麥物理學家玻爾在英國科學家盧瑟福提出的原子模型基礎上,結合夫琅和費、基爾霍夫和本生他們的工作,提出了一種新的原子理論。他認為,在一個原子內部,電子就像行星繞太陽旋轉那樣環繞原子核旋轉。而越是靠近核的電子,具有的能量越低;離核遠的電子能量更高些。這樣,電子所在的軌道不同,所處的“能級”也不同。根據能量守恒定律,當電子從外部的軌道“躍遷”到離原子核更近些的軌道上時,它必然要釋放出一部分能量。反之,電子也隻有吸收了一部分能量後,才可能從內部的軌道躍遷到離原子核更遠些的軌道上。但是,電子能級從低到高的結構方式,並不像是連續的“斜坡”,而更像是樓梯上的“台階”。所以,在兩個特定的“台階”之間發生躍遷時,無論吸收還是發射,“台階”之間的能量差總是固定的。還有,由於不同物質的原子中電子數目有多有少,能級“台階”之間的能量差也不相同,所以吸收或發射光波長也就不同。玻爾的理論發表後,解釋了很多先前的理論不能解釋的現象,很快為科學家們所接受。原子光譜和光譜分析有了可靠的理論基礎,人們完全擺脫了以前麵對實驗現象時那種“盲目”的感覺。
使用光譜分析的方法,人們終於開始了解遙遠而可望不可及的天體上都有些什麼化學元素了。原來,幾乎所有的恒星表層大氣中都具有大致相同的化學成分。最多的是氫,其次是氦,這兩種元素占了總量的95%以上,其餘的有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、氧化鈦等元素和化合物。天文學家根據不同的光譜類型對恒星進行了分類。如,A型星有很強的氫線,而B型星的氫線相對較弱,但出現了較強的氦線,F型星光譜中的金屬線很強,M型星光譜中有明顯的氧化鈦分子線。因為分子的譜線較寬,人們也稱之為“譜帶”。太陽屬於G型星,它的氫線較弱,金屬線相對強,電離鈣線很強。如果把各種恒星的光譜類型按溫度從高到低排隊,那就是O、B、A、F、G、K、M。有人為了方便記憶,還編了一句俏皮的英語,這就是:“Oh,BeAFairGirl,KissMe!”中文意思是:“啊,美麗的姑娘吻我吧!追古溯今太陽係
太陽家族,除了“家長”太陽外,我們幾乎毫無遺漏地簡述了一遍。各類成員都在各自的位置上不停息地運動著、變化著。人類千百年來,不斷地探索它們,認識它們,總結它們的規律,思考著各種問題。太陽係存在已有多久?太陽係到底是怎樣形成的?這些問題,就是研究太陽係起源所要解決的基本問題。
要了解樹木的年齡可以看年輪,要了解牲口的年齡可以看牙口,那麼要了解太陽係的年齡看什麼呢?
地質學家通過放射性元素,可以測定岩石的年齡。同樣,用這個方法也可以測定隕星的年齡,人們根據隕星的年齡就可推知太陽係的年齡,因為科學家們認為隕星應是太陽係形成之初形成的。科學家測定,各種隕星的年齡相當一致,大約都有46億年。因此這個數字,一般就定為太陽係的年齡,也就是太陽係存在的漫長歲月。
太陽係是如何形成的呢?
關於太陽係的起源,自從1755年康德提出第一個太陽係起源的星雲說以來,已經有四十多種學說產生,但是一直沒有一種學說比較完善並能夠被普遍接受。太陽係的起源學說能否成立,關鍵是要能說明行星物質的來源和形成這兩個基本問題。
太陽係起源的各種學說,基本上可劃分為三類。第一類為災變說,認為行星物質是因為某一偶然巨變事件從太陽中分出來的。例如由於另一恒星走過太陽或碰到太陽,或者由於太陽爆發,因而從太陽中分出來一部分物質,形成了行星。第二類為俘獲說,認為太陽從恒星際空間俘獲的物質,形成原始星雲,後來演變為行星。第三類為共生說,認為整個太陽係的大體(包括太陽),都是由同一個原始星雲形成的。星雲中心部分的物質形成太陽,外圍部分的物質形成行星等天體。因為俘獲說和共生說都是認為星雲形成行星等天體,所以常合稱為星雲說。
我國已故天文學家戴文賽教授,很早就開始注意太陽係的起源問題。他係統地分析了國外四十多種太陽係起源學說,利用新的資料和理論,發展了星雲說的基本論點,形成了自己的新的星雲學說。
戴文賽教授認為,太陽係是由比太陽質量大幾千倍的星際雲分裂出來的一個原始星雲產生的。這個原始星雲一開始就有自轉,並且在自身引力作用下收縮,中心部分因為收縮而形成太陽,外部因為轉動而變扁,成為星雲盤,九大行星和它們的衛星以及無數的小行星,都是由星雲盤形成的。星雲盤的不同部分凝聚出不同成分的塵粒和小冰粒,它們彼此碰撞,聚集成很多顆粒,然後這些顆粒逐漸沉降到星雲盤赤道麵附近,形成薄薄的“塵層”。塵層裏的顆粒密集之後,遇到一點擾動就分裂成很多顆粒團。各顆粒團由於自身引力又收縮成一個個固體四塊,稱為星子。星子經過多次碰撞結合,就逐漸聚集成行星和衛星。
戴文賽教授關於太陽係起源的新學說,能夠比較好地解釋太陽係的一些主要特征的由來和各類天體的起源。他的這一研究成果,曾獲得全國科技大會的獎勵。