Астроспектроскопия

АСТРОСПЕКТРОСКОПИЯ, раздел астрофизики, в котором исследуют спектры небесных тел с целью изучения физической природы объектов и их движения в пространстве. Впервые спектроскоп для астрономических наблюдений применил в 1814 году Й. Фраунгофер, который открыл линии поглощения в спектре Солнца. С помощью спектроскопа П. Ж. С. Жансен и английский астроном Н. Локьер во время солнечного затмения в 1868 году обнаружили на Солнце гелий. Начало массовых спектральных исследований звёзд, планет, галактик и туманностей относится к 1-й половине 20 века.

Спектры могут наблюдаться в видимом диапазоне (характерная длина волны λ = 500 нм), а также в других диапазонах: радио- (λ= 1 м), инфракрасном (λ = 10 мкм), ультрафиолетовом (λ = 100 нм), рентгеновском (λ = 0,1 нм) и гамма-диапазоне (λ <0,01 нм). Спектр может быть непрерывным, линейчатым и ступенчатым (скачки у пределов атомных серий). При этом тепловой спектр определяется тепловыми движениями атомов и молекул, а при нетепловом спектре излучение формируется особыми механизмами (излучением электронов в магнитном поле, плазменной неустойчивостью, мазерными эффектами, связанными с инверсной заселённостью атомных уровней, и тому подобное). Характеристики непрерывного спектра, профили и интенсивности спектральных линий излучения и поглощения, скачки у пределов серий зависят от физических условий в излучающей среде: температуры, плотности и т.п., а также химического состава. Кроме того, благодаря эффекту Доплера, длина волны излучения, регистрируемая наблюдателем, зависит от проекции скорости движения излучателя на луч зрения. Поэтому астроспектроскопические исследования являются мощным средством изучения излучающих объектов и определения их фундаментальных параметров.

Спектр космического объекта может быть получен с помощью астроспектрографа или приборов, использующих явление интерференции света, например, интерферометра Фабри - Перо. В рентгеновском и гамма-диапазонах для получения спектров применяют методы, основанные на явлении дифракции излучения. В видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах для регистрации спектров применяют твердотельные панорамные фотоприёмники - ИЗС-матрицы (приборы с зарядовой связью), обладающие очень высокой квантовой эффективностью. Спектральное разрешение характеризуется величиной R = λ/Δλ, где λ — рабочая длина волны, Δλ - минимальный интервал длин волн, выделяемый спектральным прибором. Величина R для разных наблюдений меняется от 10-100 до 10⁵-10⁶.

Методы астроспектрографа широко применяются при исследовании Солнца, планет, туманностей, звёзд, межзвёздной среды и галактик. Изучение непрерывных спектров и линий поглощения в спектрах звёздных атмосфер позволило осуществить двумерную спектральную классификацию звёзд, изучить межзвёздное поглощение в Галактике, определить скорости турбулентного движения газа, температуры, плотности и ускорения силы тяжести в звёздных атмосферах. По доплеровскому уширению линий в спектрах измерены скорости вращения звёзд. По периодическим доплеровским смещениям линий в спектрах двойных звёздных систем определены массы звёзд, в том числе массы нейтронных звёзд и чёрных дыр. Детальный анализ профилей спектральных линий различных химических элементов с применением современных моделей звёздных атмосфер, в которых не используется предположение о локальном термодинамическом равновесии, позволяет изучать химический состав солнечного и звёздного вещества. Анализ интенсивностей и профилей межзвёздных линий поглощения в спектрах звёзд даёт возможность изучать химический состав межзвёздной среды. Спектроскопический анализ молекулярных полос поглощения в спектрах атмосфер планет позволяет проводить их химический, в том числе изотопный анализ, а также определять физические условия в планетных атмосферах.

Анализ линий излучения в спектрах атмосфер нестационарных звёзд и газовых туманностей даёт возможность изучать структуру и кинематику звёздных ветров, определять плотность, температуру и химический состав газовых туманностей, изучать движения в них, а также исследовать эффекты взаимодействия звёздных ветров с межзвёздной средой. Использование поляризационных приборов в спектральном анализе позволяет измерять магнитные поля Солнца и звёзд.

В радиодиапазоне очень важны спектроскопические исследования линии нейтрального водорода на длине волны 21 см, которые позволяют изучать распределение и движение водорода в нашей Галактике и других галактиках. Исследования кривых вращения галактик по наблюдениям в линии 21 см приводят к заключению о том, что в гало большинства галактик находится значительная скрытая материя. Изучение радиорекомбинационных линий и линий, соответствующих мазерному излучению компактных источников, является мощным средством исследования межзвёздной среды, областей звездообразования и ближайших окрестностей ядер галактик, где открыты сверхмассивные чёрные дыры.

Рентгеновская спектроскопия горячего газа в скоплениях галактик выявила наличие большого количества скрытой материи. Изучение рентгеновских спектров аккрецирующих нейтронных звёзд и чёрных дыр в двойных системах позволило осуществить диагностику горячей плазмы и выявить различия в спектральных свойствах аккрецирующих нейтронных звёзд и чёрных дыр, вызванные тем, что нейтронные звёзды обладают наблюдаемыми поверхностями, а чёрные дыры - нет.

Исследование гамма-линий ядер и непрерывного гамма-излучения позволяет изучать продукты нуклеосинтеза в недрах массивных звёзд и во время вспышек сверхновых.

Лит.: Мартынов Д. Я. Курс практической астрофизики. М., 1977; Грей Д. Наблюдения и анализ звездных фотосфер. М., 1980; Физика космоса: Маленькая энциклопедия. 2-е изд. М., 1986.