Спектроскопия и астрономия

С чем обычно ассоциируется астрономия? С огромными телескопами, захватывающими дух панорамами космических далей и невероятно детализированными фотографиями безмерно далёких звёзд и галактик. Всё это, конечно, имеет место в современной астрономии, но львиную долю научных данных в оптическом (видимом) диапазоне дают не сами телескопы, а сложное и разнообразное оборудование, обрабатывающее полученные данные. Одними из наиболее важных и заслуженных приборов являются спектрографы (или спектроскопы), с помощью которых астрономы выясняют химический состав и особенности протекания физических процессов в звёздах, скоплениях и туманностях.

Спектрографы – результат плодотворного сотрудничества физики и астрономии. Первые идеи использования спектроскопии в астрономии появились ещё в XIX веке, как ответ физиков на астрономические задачи того времени. Совершенствование телескопов по-прежнему не позволяло прояснить вопрос о физической природе звёзд, так как даже самые яркие звёзды в самые мощные телескопы выглядят просто как яркие точки. Тогда-то учёным и пришла в голову идея использовать в астрономических наблюдениях только-только появившуюся в начале XIX века науку – спектроскопию.

Основная идея спектроскопии основана на знании о физических процессах испускания и поглощения излучения. Дело в том, что видимый глазом свет от источника излучения (например, Солнца) – результат активности атомов этого источника. Каждый атом может испускать излучение с несколькими, присущими ему, длинами волн. Соответственно, наблюдаемый свет складывается из множества волн, испущенных разными атомами. Чем больше атомов того или иного элемента излучают – тем выше интенсивность соответствующих им волн. Остаётся только каким-то образом вычленить из непрерывного потока излучения отдельные длины волн или их диапазоны, и можно будет выяснить, какой элемент и с какой интенсивностью излучает в источнике. Решение этой задачи было известно – ещё сэр Исаак Ньютон в 1704 году с помощью призмы разложил белый свет в спектр. Правда, он получил сплошной спектр, раскладывая белый свет – без выраженных спектральных полос, однако, принципиальная идея была той же самой. Приборы, разлагающие свет в спектр получили название спектрографов.

Появление спектрографов породило настоящий бум открытий. Всего за несколько десятилетий спектрографы прочно вошли в обиход учёных и промышленников, найдя применение не только и научных изысканиях, но и в различных технологических процессах. В частности, спектроскопия стала неотъемлемой частью астрономии – теперь, всего лишь собрав достаточно света от того или иного объекта и направив его в спектрограф, астроном мог с приемлемой точностью выяснить, какой элемент «ответственен» за излучение того или иного объекта. Именно спектроскопические данные дали старт появлению первых моделей состава и строения звёзд, заложивших основу новой науки – астрофизики .

Спектр неонового источника, полученный в лаборатории, до и после обработки

Различные типы спектрографов, создаваемые для различных нужд, используют несколько методов получения спектра, различающиеся характеристиками и назначением. Один из наиболее точных и претензионных – использование системы из нескольких призм, выполненных из максимально чистого и оптически прозрачного материала, не подверженного различным искажениям. Спектрографы такого типа обычно используются в астрономии, где ограничение на габариты приборы не столь существенно. Существуют и спектроскопические инструменты, основанные на других принципах разложения света в спектр – например, с помощью дифракционной решётки. Так или иначе, перед непосредственным использованием спектрографа в исследованиях его следует отъюстировать . Делается это при помощи эталонных источников излучения, спектральные полосы которых давно изучены и известны с высокой точностью. Наблюдая такой образец в спектрограф, можно соотнести фактические показания спектрографа со шкалой длин волн.

Однако выдаваемый прибором спектр нужно ещё обрабатывать и, в первую очередь, снимать. Разумеется, вначале наблюдения велись просто на глаз, но с развитием техники для большей точности и автоматизации исследовательского процесса результаты работы спектрографа стали фиксироваться. По многим причинам спектрографы производят регистрацию спектра преимущественно на чёрно-белые носители (раньше – на соответствующие фотопластины или фотоплёнку, сейчас – на специальные чёрно-белые ПЗС-матрицы ). Этого вполне достаточно – для исследования гораздо важнее не наглядность получаемого изображения, а информация о яркости отдельных полос поглощения или испускания, которые на чёрно-белых носителях передаются лучше. Чтобы получить привычный «радужный» спектр необходимо раскрасить спектральные линии в соответствии с юстировкой прибора.

Сегодня в лаборатории астрономии и астрофизики БФУ им. И. Канта проходит наладку стационарный трёхпризменный спектрограф, адаптированный для цифровых методов снятия информации. Сотрудники лаборатории уже получили первые тестовые спектры с лабораторных источников излучения. Впереди – точная настройка прибора и подключение его к телескопу.