Litrófsgreining

Skammtafræðibyltingin snemma á 20. öld breytti að eilífu, skilningi okkar á leyndardómum alheimsins og færði okkur um leið ómetanleg verkfæri til að kanna uppbyggingu efnis í órafjarlægð. Litrófslínur eru ákveðnar bylgjulengdir ljóss sem hvert einasta frumefni og efnasamband gleypir í sig eða gefur frá sér. Því má segja að litrófið sé fingraför ljóssins og engin tvö fingraför eru eins. Rannsóknir á þekktum litrófslínum í fjarlægum stjörnum og vetrarbrautum gerir okkur kleift að átta okkur á efnasamsetningunni og ákvarða eðliseiginleika þeirra eins og hitasti, eðlismassa og hreyfingu.

Grundvallarlögmál skammtafræðinnar segir að í heimi örsmæðarinnar komi orka aðeins fyrir í skömmtum. Rafkraftarnir sem binda neikvætt hlaðnar rafeindir á fleygiferð umhverfis jákvætt hlaðinn kjarna, leyfa aðeins ákveðnar brautir með tiltekin orkustig. Orkustigin eru mismunandi eftir frumefnum (hve margar róteindir og nifteindir eru í kjarnanum) og hversu margar rafeindir eru bundnar við hann. 

Ekkert er ókeypis, ekki einu sinni í náttúrunni. Þegar efni tekur til sín orku verður hún að gefa frá sér jafn mikla orku. Orkan verður að vera í jafnvægi. Rafeind á lægra orkustigi (með minni orku) getur skotist upp á hærra orkustig ef hún gleypir ljóseind sem hefur rétt magn orku. Á sama hátt neyðist rafeind á hærra orkustigi (með meiri orku), sem fellur niður um orkustig, að gefa frá sér ljóseind með nákvæmlega sama orkumagn.

Bylgjulengd og orka ljóseindar eru nátengdar svo allar breytingar á orku atóms eða sameindar samsvarar nákvæmlega bylgjulengd ljóssins. Þetta ljós kallast litrófslína vegna þess hve nákvæm bylgjulengdin þarf að vera. Hægt er að líta á litrófslínu sem ljómlínu ef rafeind fellur af hærra orkustigi niður á lægra og gefur við það frá sér ljóseind, eða sem gleypilínu ef rafeind gleypir ljóseind með rétta bylgjulengd frá ljósuppsprettu í bakgrunni.

1. Litróf ljóss

Árið 1665 var Ísak Newton ungur vísindamaður við nám í Cambridgeháskóla á Englandi. Á þessum tíma var það viðtekinn skoðun að allir litir náttúrunnar væru einungis tilbrigði hvíts ljóss – að eitthvað gerðist sem breytti hvítu ljósi í rautt eða blátt. Nokkrar tilgátur voru uppi til að skýra hvers vegna þetta gerðist og vöktu þær áhuga Newtons svo hann ákvað að prófa þær.

Einn sólríkan dag keypti Newton þrístrending (prisma) og setti upp tilraun í herberginu sínu. Newton dró fyrir alla glugga og myrkvaði herbergið fyrir utan eitt hringlaga gat þar sem sólarljósið barst inn í herbergið. Newton kom þrístrendingnum fyrir við gatið og beindi sólarljósinu í gegnum hann á hvítan skerm. Ljósið klofnaði alla regnbogans liti sem við í dag köllum litróf.

Newton dró þá ályktun að hvítt ljós væri samblanda allra lita og sýndi í kjölfarið fram á að hægt var að fella litrófið saman aftur í hvítt ljós með hjálp annars þrístrendings. Newton greindi frá þessum uppgötvunum sínum í ritinu „Ný kenning um ljós og liti” sem hann gaf út árið 1672.

Tilraun Newtons á eðli ljóss. Með þessari frægu tilraun beindi Newton sólarljósi í gegnum þrístrending og svo aftur í gegnum annan. Milli þrístrendinganna var skermur með rauf sem hleypti aðeins einum lit litrófsins í gegn. Sami litur kom út úr seinni þrístrendingnum. Tilraunin staðfesti að þrístrendingar bæta ekki neinum lit við ljósið heldur aðskilur þá. Tilraunin sannaði að hvítt ljós, eins og sólarljós, er blanda allra lita litrófsins. Mynd: W.H. Freeman/Stjörnufræðivefurinn

Árið 1802 endurtók landi hans, efnafræðingurinn William Hyde Wollaston (1766-1828) tilraun Newtons, með örlítið ólíkum hætti þó. Wollaston beindi sólarljósinu í gegnum rúmlega millímetra breiða rauf í stað hringlaga gatsins sem Newton notaði. Þannig gat Wollaston greint staka liti í litrófinu. Í ljósinu sá hann sjö dökkar línur, svokallaðar litrófslínur, sem hann ályktaði sem svo að væru náttúruleg mörk milli lita. Væri ljós frá fullkomnum svarthlut sent í gegnum þrístrending kæmi fram samfellt litróf án nokkurra dökkra lína.

2. Fraunhofer línur

Gleypilínur í litróf sólar. Mynd: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

Tólf árum síðar eða árið 1814 endurtók þýski sjóntækjafræðingurinn Jósef von Fraunhofer tilraunina. Í þetta sinn beindi Fraunhofer sólarljósinu ekki í gegnum þrístrending heldur enn þynnri rauf en Wollaston gerði, en ákvað sama mund að stækka litrófið umtalsvert með hjálp sjónauka. Fraunhofer smíðaði þar með fyrstu einföldu litrófssjána. Furðu lostinn sá Fraunhofer að dökku línurnar í litrófi sólar skiptu hundruðum. Fraunhofer taldi meira en 600 mismunandi litrófslínur og gaf þeim sem voru mest áberandi bókstaf frá A til K, sem hann raðaði eftir stafrófsröð frá enda rauða litrófsins, en daufari línur fengu aðra bókstafi. Í dag þekkjum við yfir 30.000 litrófslínur.

Á ljósmyndinni hér að ofan, sem er af litrófi sólar, sjást hundruð litrófslína í sólinni.

3. Tilraunir Kirchhoffs og Bunsens

Tilraun Kirchhoffs og Bunsen sýndi að þegar efnasambönd eru hituð gefa þau frá sér litróf með björtum litrófslínum með ákveðnar bylgjulengdir. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Niðurstöður Fraunhofers vöktu mikinn áhuga vísindamanna en hann gat ekki útskýrt hvers vegna litrófslínurnar birtust. Það gátu hins vegar þýski efnafræðingurinn Robert Bunsen (1824-87) og landi hans og samstarfsmaður, eðlisfræðingurinn Gustav Kirchhoff (1811-99), tæpri hálfri öld síðar. Bunsen og Kirchhoff uppgötvuðu að ákveðnar litrófslínur samsvöruðu ákveðnum frumefnum.

Efnafræðingar höfðu lengi vitað að mörg efni gefa frá sér mjög einkennandi liti þegar kviknaði í þeim. Til þess að rannsaka þessa liti bjó Bunsen til gasbrennara (sem í dag kallast Bunsen brennari sem allir skólakrakkar ættu að þekkja) sem myndar hreinan loga. Kirchhoff benti á að hægt væri rannsaka lit ljóssins sem efnið gæfi frá sér við bruna með því að beina ljósinu í gegnum þrístrending, eins og sjá má á myndinni hér til hliðar. Kirchhoff og Bunsen uppgötvuðu að litrófið frá loganum innihélt þunnar og bjartar litrófslínur á dökkum bakgrunni.

Ljómlínuróf nokkurra efna. Hvert efni hefur sínar einstöku litrófslínur. Mynd: Ted Kinsman/Science Photo Library og Stjörnufræðivefurinn.

Kirchhoff og Bunsen komust að því að hvert einasta frumefni hefur eigin fingraför litrófslína, ef svo má segja, sem ekkert annað frumefni hefur. Með því að skoða fingraför frumefnisins mátti finna út úr hvaða efni hlutur væri. Þar með hafði litrófsgreiningartæknin – efnagreining út frá litrófslínum – rutt sér til rúms.

Kirchhoff og Bunsen fundu litrófslínur allra þeirra frumefni sem menn þekktu á þessum tíma. Þeir uppgötvuðu líka litrófslínur áður óþekktra efna. Þannig fundu þeir ný frumefni eins og sesíum (nefnt eftir latneska orðinu caesium sem þýðir gráblátt) og rúbidíum (sem þýðir rautt) og höfðu þau litrófslínur í bláa og rauða hluta litrófsins.

Sýni af frumefni inniheldur aðeins eina tegund atóms. Kolefni inniheldur aðeins kolefnisatóm, helíum einungis helíumatóm og svo framvegis. Atóm sama eða mismunandi frumefna geta vitanlega myndað sameindir. Til dæmis mynda tvö vetnisatóm og eitt súrefniatóm vatnssameind (H₂O). Slík efnasambönd hafa líka sín einkennislitróf svo hægt er að finna út stök efnasambönd með litrófsgreiningu. Myndin hér fyrir neðan sýnir litróf nokkurra atóma og sameinda.

4. Lögmál Kirchhoffs

Litróf sólar, sem hefur dökkar litrófslínur samfelldu rófi, gæti virst alls ótengt litrófi bjartra lína á dökkum bakgrunni sem myndast við loga efnis. Önnur tilraun Kirchhoffs í tilraunastofunni í Heidelberg árið 1859 leiddi til skilnings á því hvernig litrófslínurnar urðu til. Kirchhoff skoðaði litróf sólar í gegnum gulan natríumloga og átti von á að bjarta ljósið frá loganum myndi hylja dökku línuna í litrófi sólar. Þess í stað varð línan dekkri. Niðurstöðurnar eru teknar saman í lögmálum Kirchhoffs:

• Lögmál 1. Heitur ógegnsær hlutur, líkt og fullkominn svarthlutur, eða hétt og þétt gas, hefur samfellt litróf (continous spectrum) – óbrotið litróf án nokkura litrófslína. 

• Lögmál 2. Heitt gegnsætt gas hefur ljómlínuróf eða útgeislunarróf (emission line spectrum)– röð bjartra litrófslína á dökkum bakgrunni. 

• Lögmál 3. Kalt gegnsætt gas, fyrir framan ljósuppsprettu sem hefur samfellt litróf, hefur gleypiróf eða ísogsróf(absorption line spectrum) – röð dökkra litrófslína innan um liti samfellds litrófs. Dökku línurnar í gleypirófi tiltekinnar gastegundar hefur nákvæmlega sömu bylgjulengdir og björtu línurnar í ljómlínurófi sama gass.

Lögmál Kirchhoffs benda til að þegar hvítur ljósgeisli berst frá svarthluti í gegnum gasský dragi atómin í gasinu á einhvern hátt sig ljós með tiltekna bylgjulengd. Athugandi, sem horfir beint á svarthlutinn í gegnum gasskýið, sér þar af leiðandi ljós sem hefur litróf með dökkum gleypilínum á samfelldu litrófi svarthlutarins. Atómin í gasskýinu gefa þá frá sér ljós með sömu bylgjulengd í allar áttir. Athugandi, sem horfir ekki beint í átt að svarthlutnum, sér aðeins ljósið sem gasskýið gefur frá sér. Á litrófi þess eru bjartar útgeislunarlínur á dökkum bakgrunni. Myndin hér fyrir neðan skýrir þetta vel út.

Samfellt róf, gleypilínuróf og ljómlínuróf. Heitur ógegnsær hlutur (eins og svarthlutur) gefur frá sér samfellt litróf líkt og mynd (a) sýnir. Ef ljós frá þessum hlut fer í gegnum kalt gasský gleypir það ákveðnar bylgjulengdir ljóss, svo litrófið sem berst í gegnum skýið hefur dökkar gleypilínur eins og mynd (b) sýnir. Skýið heldur ekki allri ljósorkunni sem það gleypir heldur geislar því út frá sér í allar áttir. Ltiróf útgeislaða ljóssins hefur bjartar ljómlínur, eins og mynd (c) sýnir, með nákvæmlega sömu bylgjulengdum og dökku gleypilínurnar í (b). Bylgjulengdirnar og þar af leiðandi útlit litrófsins veltur á efnainnihaldi skýsins. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Ljósið getur annað hvort borist athuganda í gegnum skýið eða gasið gleypt það. Þriðji möguleikin er sá að ljósið hrökkvi einfaldlega af atómunum og sameindunum í gasskýinu. Það kallast ljósdreifing. Ljósdreifing á einmitt sök á því hvers vegna himinninn er blár og sólsetrin rauð.

Hitastig gasskýsins og bakgrunnsins ráða því hvort útgeislunarlínur eða gleypilínur sjáist í litrófi gasskýsins. Gleypilínur verða til ef bakgrunnurinn er heitari en gasskýið en útgeislunarlínur ef bakgrunnurinn er kaldari.

5. Úr hverju er sólin

Litróf sólar er gleypilínuróf. Samfellda litrófið má rekja til glóandi heits yfirborðs sólar sem verkar eins og svarthlutur. Dökku gleypilínurnar verða til þegar ljósið berst í gegnum kaldari gastegundir í gasinu sem umlykur sólina (ekki kórónunni, gasið þar er heitara). Þar af leiðandi getum við fundið út úr hverju sólin er, og fundið ný frumefni utan jarðar, með því að skoða litrófslínurnar í sólarljósinu.

Menn beittu aðferðum Fraunhofers, Kirchhoffs og Bunsen í ríkum mæli á sjöunda áratug nítjándu aldar. Árið 1862 tókst Svíanum Anders Ångström (1814-74), prófessor í eðlisfræði við Uppsalaháskóla í Svíþjóð, að sýna fram á að vetni var að finna í sólinni. Sólin var að miklu leyti úr vetni, sama frumefni og finnst í vatninu á jörðinni.

Átta árum síðar, þann 18. ágúst 1868, fór franski stjörnufræðingurinn Pierre Jules Janssen (sem síðar rannsakaði þvergöngu Venusar) til indversku borgarinnar Guntur til að fylgjast með almyrkva á sólu. Við almyrkva á sólu hylur tunglið skífu sólar svo ysti hluti lofthjúps hennar, kórónan, verður sýnileg. Á meðan almyrkvanum stóð tókst Janssen að gera litrófsmælingar á ljósinu frá gasinu í kórónu sólar. Í litrófinu tók Janssen eftir gulri litrófslínu sem hefur 587,49 nanómetra bylgjulengd og var því nálægt natríumlínunni. Janssen dró þá ályktun að þessa litrófslínu mætti rekja til natríums.

Norman Lockyer

Seinna sama ár var enski stjörnufræðingurinn Norman Lockyer einnig við rannsóknir á Indlandi, í Bombay nánar tiltekið. Lockyer sá sömu línu og Janssen hafði tekið eftir við sólmyrkvan fyrr á árinu og tók eftir því að hún lá nálægt natríumlínunni. Ólíkt Janssen gerði Lockyer ekki ráð fyrir því að um væri að ræða natríum svo hann lagðist í örlitla rannsóknarvinnu. Lockyer komst að því að ekkert þekkt frumefni samsvaraði línunni. Dró hann þá ályktun að um væri að ræða nýtt frumefni sem hann nefndi helíum eftir gríska sólarguðinum Helíos. Helíum fannst ekki á jörðinni fyrr en árið 1895. Lockyer var sleginn til riddara af Viktoríu Bretadrottningu fyrir þessa uppgötvun árið 1897 og var eftir það kallaður Sir Norman Lockyer.

Myndin hér fyrir neðan sýnir bæði hluta úr gleypilínurófi sólar og ljómlínuróf járns yfir sama bylgjulengdarsvið. Þetta mynstur björtu litrófslínanna í neðra litrófinu er fingraför járnsins, ef svo má segja, þar sem ekkert annað efni hefur myndar eins mynstur. Eins og sjá má samræmast nokkrar gleypilínur í litrófi sólar útgeislunarlínum járnsins. Því getum við með sanni sagt að járn er að finna í sólinni.

Járn í sólinni. Efra litrófið sýnir gleypilínuróf sólar á útfjólubláum bylgjulengdum en það neðra ljómlínuróf járns. Ljómlínur járnsins samsvara litrófslínum í sólinni sem sýnir og sannar að járn er að finna í sólinni. Mynd: W. H. Freeman, Carnegie Observatories og Stjörnufræðvefurinn

5.1. Úr hverju eru stjörnurnar

Sjá nánar: Stjörnur og Flokkun stjarna

Enski stjörnufræðingurinn Sir William Huggins heillaðist snemma af litrófsgreiningu og vildi nýta hana til að komast að því úr hverju stjörnurnar væru. Fyrr á öldinni hafði franski heimspekingurinn Auguste Comte sagt að þar sem stjörnurnar væru svo órafjarri myndi mannkynið aldrei komast að því hvað þær raunverulega væru. Huggins var þessu vitanlega ekki sammála og er í dag álitinn einn af frumherjunum í stjarnfræðilegri litrófsgreiningu.

Árið 1863 birtu Huggins og samstarfsmaður hans William Allen Miller grein í fréttabréfi Konunglega stjarnvísindafélagsins í Bretlandi sem bar nafnið „Litrófslínur nokkurra fastastjarna”. Í greininni lýstu þeir rannsóknum sínum á 30 til 40 fastastjörnum. Þeir félagar fundu út að stjörnurnar innihéldu sömu efni og þau sem finnast í sólinni - sér í lagi vetni, natríum, kalsíum og járn. Auguste Comte hefði orðið forviða!

NGC 346 í Litla-Magellanskýinu

Með litrófsgreiningu getum við líka efnagreint gas- og rykský í geimnum, stjörnumyndunarsvæði, eins og skýið í kringum stjörnuþyrpinguna NGC 346 sem sést á myndinni hér til hliðar. Þessi glóandi gasský hafa ljómlínuróf vegna þess að við sjáum þá fyrir framan svartan og kaldari bakgrunn (annað lögmál Kirchhoffs). Þetta tiltekna blæbrigði rauða litsins sem einkennir þessa þoku er útgeislunarlína með 656 nm bylgjulengd. Þetta er ein þeirra bylgjulengda sem einkenna vetni. Við getum því með góðri samvisku dregið þá ályktun að þokan innihaldi umtalsvert af vetni. Frekari greining á litrófi skýsins sýnir að vetni er algengasta frumefnið í þokunni og raunar alheiminum í heild. Litróf annarra þoka eins og Hringþokunnar í Hörpunni sýnir að þar finnst einnig nitur, súrefni, helíum og önnur frumefni.

Það sem er einna stórkostlegast við litrófsgreiningu er að hægt er að ákvarða efnasamsetningu óháð vegalengdum. Rauða ljósið með 656 nm bylgjulengd verður til þegar sýni vetnis er hitað á jörðinni og er hið sama og berst frá þokunni. Með lögmálum Kirchhoffs hafa stjörnufræðingar undir höndum ótrúlegt verkfæri til að efnagreina fyrirbæri sem segja má að séu næstum óbærilega fjarlæg.

En til þess að skilja lögmál Kirchhoffs til hins ýtrasta er mjög gagnlegt að átta sig á hvers vegna þau virka. Hvers vegna gleypir atóm aðeins ljós með ákveðna bylgjulengd? Hvers vegna geislar atómið aðeins frá sér ljósi með þessa sömu bylgjulengd? Kenningar Maxwells um rafsegulmagn gat ekki veitt svar við þessum spurningum. Svarið kom ekki fyrr en snemma á tuttugustu öld þegar vísindamönnum tókst að átta sig á uppbyggingu atóma.

6. Litrófsgreining

Litrófsriti (spectrograph) er nauðsynlegt tæki til að festa litróf ljóss á myndflögu. Í litrófsrita er ljósinu beint úr sjónaukanum í svonefnt raufagler (diffraction grating). Á raufagleri eru þúsundir hárfínna samsíða raufa eða lína með jöfnu millibili sem skornar hafa verið út með demanti. Raufaglerið klýfur ljósið og beygir það í nokkra geisla sem ferðast í mismunandi áttir. Áttirnar sem geislarnir fara í velta á bilinu milli raufanna og bylgjulengd ljóssins. Á þennan hátt býr raufaglerið til litrófið. Þú getur prófað þetta sjálf(ur) með því að halda geisladiski eða DVD diski upp í ljós. Á disknum eru raufar sem geyma upplýsingarnar um efni disksins (ekki úr hverju hann er heldur hvað er á honum), en gegna líka hlutverki raufaglers. Prófaðu að skoða litróf sólar á þennan hátt!

Myndin hér að neðan sýnir gleypilínuróf stjörnu, reikistjörnu eða vetrarbrautar sem búið var til með raufagleri. Ljómlínurófið við hliðina var útbúið með vetni í tilraunastofu og notað til viðmiðunar. Þetta eru sem sagt litrófslínur vetnis. Þegar CCD myndflögu er komið fyrir við fókus litrófsritann skráir hún litrófið inn í tölvu. Hugbúnaður er svo notaður til að breyta gögnunum í graf þar sem ljósstyrkur er fall af bylgjulengdinni. Dökku gleypilínurnar koma fram sem lægðir eða dalir á grafinu, en björtu ljómlínurnar birtast sem toppar eða tindar. Samanburður á litrófslínunum sýnir að fyrirbærið inniheldur vetni.

Gleypilínuróf og ljómlínuróf.

6.1. Túlkun litrófs

Hingað til höfum við fjallað um þrjár mismunandi litrófstegundir (samfellt, gleypilínu- og ljómlínuróf). Litróf raunverulegra stjarnfræðilegra fyrirbæra eru venjulega samblanda allra þessara þriggja litrófa. Auk þess eru oftar en ekki einkenni í litrófunum sem verða til við hversdagslegri ferli eins og endurvarp og ljósdreifingu. Við skulum skoða hvernig endurvarp ljóss frá hnetti hefur áhrif á litróf hans og reyna að finna út um hvaða hnött er að ræða.

Mestur hlutu þess ljóss sem í kringum okkur er í daglegu lífi hefur annað hvort endurvarpast eða dreifst. Venjulega er ljósuppsprettan varmageislun sólar eða lampa. Ljósuppsprettan hefur alltaf ákveðinn útgeislunarferil eins og læra má um í umfjöllun Stjörnufræðivefsins um svarthlutargeislun. Þegar þetta ljós rekst á yfirborð jarðar, ský, fólk eða önnur fyrirbæri sjáum við einungis þær bylgjulengdir ljóssins sem endurvarpast eða dreifast. Rauð peysa gleypir til dæmis blátt ljós en endurvarpar rauðu svo litróf hennar lítur alveg eins út og litróf ljósuppsprettunnar - sólar - en án bláa litsins. Ef litrófið er skoðað og borið saman við útgeislunarferilinn kemur fram dæld þar sem blái liturinn er. 

Á þennan sama hátt getum við notað upplýsingar um litinn í ljósinu sem endurvarpast til að læra um himinhnettina. Mismunandi ávextir, mismunandi steinar og jafnvel mismunandi lofthjúpar endurvarpa og gleypa í sig ljós með ólíkum hætti. Mismunandi efni á yfirborði reikistjörnu ákvarðar hversu mikið mislitt ljós endurvarpast eða gleypist. Ljós sem endurvarpast af reikistjörnur segir til um litinn á meðan gleypt ljós hitar yfirborðið sem hjálpar okkur að finna út hversu heitt yfirborðið er.

Skoðaðu litrófið á myndinni hér fyrir neðan. Hvað er hægt að segja um fyrirbærið út frá einkennum þessa litrófs? Hápunkturinn í innrauða hluta litrófsins segir til um hitastigið því innrautt ljós er varmageislun. Með því að skoða nákvæmlega bylgjulengdina og þekkja til eðlisfræði svarthlutageislunar (Wienslögmálið) getum við fundið út að hitastigið á yfirborðinu er um 225 K (um -50°C) (prófaðu að reikna út úr Wienslögmálinu ef bylgjulengdin er 12,9 míkrómetrar). Það er því frekar kalt á þessum hnetti, álíka kalt og á veturna á heimskautssvæðum jarðar. Í innrauða hlutanum eru gleypilínur sem stafa aðallega af koldíoxíði (CO₂) sem segir okkur að hnötturinn hefur lofthjúp úr koldíoxíði. Ljómlínurnar í útfjólubláa ljósinu stafa af heitu gasi í þunnu lagi í efsta hluta lofthjúpsins. Ferill endurvarpaða ljóssins líkist að miklu leyti varmaútgeislunarferli sólar, utan þess að blái liturinn er mestmegnis horfinn. Hnötturinn hlýtur því að gleypa blátt sólarljós en endurvarpa rauðu. Við getum því sagt að hnötturinn sé rauður á litinn.

Túlkun á litrófi hnattar. Við ályktum sem svo að hnötturinn sé rauðleitur því hann gleypir meira blátt ljós en rautt. Gleypilínurnar segja okkur að hnötturinn hefur lofthjúp úr koldíoxíði og toppurinn í varmageislunarhlutanum, innrauða ljósinu, segir okkur að yfirborðshitastigið sé í kringum -50°C.

Hvaða hnöttur er þetta? Miðað við upplýsingarnar í litrófinu bendir allt til þess að um reikistjörnuna Mars sé að ræða.

7. Dopplerhrif

Ljós og litróf getur ekki aðeins sagt okkur til um hitastig og efnasamsetningu reikistjörnu, stjörnu eða vetrarbrautar, heldur líka um hreyfingu fyrirbæris í geimnum. Á þetta benti austurríski eðlisfræðingurinn Christian Doppler þegar hann sagði að tíðni bylgna hlyti að breytast af völdum hreyfingar.

Margir kannast við að sírenuhljóð sjúkrabíls eru ekki þau sömu þegar hann nálgast okkur og þegar hann fjarlægist. Ástæðan fyrir þessu eru Dopplerhrif en í þeim felst að mæld bylgjulengd minnkar ef fjarlægð milli athuganda og sendanda á innbyrðis hreyfingu er að aukast, en bylgjulengdin styttist ef fjarlægðin minnkar og lengist ef fjarlægðin eykst.

Dopplerhrif. Hreyfing ljósgjafans hefur áhrif á bylgjulengdina sem tveir athugendur, hvor sínu meginn við ljósgjafann. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn

Dopplerhrif eiga líka við um ljósuppsprettu á hreyfingu. Á myndinni hér til hliðar sést ljósuppspretta sem hreyfist frá hægri til vinstri. Hver hringur táknar bylgjutoppana sem hluturinn gefur frá sér á tilteknum stöðum. Uppsprettan nálgast athugandann vinstra megin. Hún sér hvernig bylgjulengdin styttist. Styttri bylgjulengdir sýnilegs ljóss eru bláar svo Dopplerhrif hlutar sem nálgast kallast blávik (blueshift). Ljósið frá hlut sem nálgast virðist blárra en ljós frá kyrrstæðum hlut.

Þessi sama ljósuppspretta fjarlægist nú athugandann hægra meginn. Frá hans sjónarhorni er lengra milli bylgjutoppa svo bylgjulengdin lengist. Lengri bylgjulengdir sýnilegs ljóss er rautt svo Dopplerhrif hlutar sem fjarlægist kallast rauðvik. Ljósið frá hlut sem fjarlægist virðist rauðara en ljós frá kyrrstæðum hlut.

Á jörðu niðri eru Dopplerhrif t.d. notuð við löggæslustörf. Umferðarlögreglan er vopnuð ratsjám sem senda útvarpsbylgjur í átt að bifreið á ferð. Þegar bylgjulengd útvarpsbylgjunnar endurvarpast af bílnum breytist hún. Munurinn á upphaflegu bylgjulengdinni og bylgjulengd endurvarpsins er svo notuð til að mæla haðann.

Litrófslínur hjálpa okkur að mæla Dopplerhrif fyrirbæra í alheiminum. Tökum litrófslínur vetnis sem dæmi. Við þekkjum bylgjulengdir litrófslína vetnis í kyrrstöðu út frá tilraunum á jörðu niðri. Ef litrófslínur vetnis frá fjarlægri stjörnu eða vetrarbraut hefur færst yfir á lengri bylgjulengdir, þá vitum við að um rauðvik er að ræða og stjarnan eða vetrarbrautin er að fjarlægjast okkur. Ef þessar sömu línur hafa færst yfir á styttri bylgjulengdir, þá vitum við að um blávik er að ræða og stjarnan eða vetrarbrautin er að nálgast okkur. Því meiri sem hraðinn er, því meiri eru Dopplerhrifin.

Athugaðu að rauðvik og blávik stjarna sem við sjáum á himninum, eða með sjónauka, mælast í broti úr nanómetra. Þessar breytingar er ómögulegt að sjá með berum augum. Þegar þú sérð stjörnu á himninum sem er rauðleit, þá þýðir það aðeins að stjarnan er rauð á litinn í raun og veru, en ekki að hún sé að fjarlægjast okkur á ógnarhraða.

Tengt efni

• Ljósið
• Rafsegulrófið
• Svarthlutargeislun
• Flokkun stjarna
  

Heimildir

1. Bennet, Jeffrey; Donahue, Megan; Schneider, Nicholas og Voit, Mark. 2007. The Cosmic Perspective, 4th edition. Addison Wesley, San Francisco.
2. Christensen, Lars Lindberg; Fosbury, Robert; Hurt, Robert. 2009. Hidden Universe. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Þýskalandi.
3. Christensen, Lars Lindberg og Schilling, Govert. 2009. Eyes on the Skies: 400 Years of Telescopic Discovery. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, Þýskalandi.
4. Freedman, Roger og Kaufmann, William. 2004. Universe, 8th Edition. W. H. Freeman, New York.

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2009). Litrófsgreining. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/litrofsgreining. Sótt DAGSETNING.