時間：2019-09-27 21:00
主題：天體輻射機制
主講人：Charon
參考資料：李向東老師的《普通天文學》，鄭廣生老師的《高能天體物理》。
關鍵詞：成像、光譜、連續譜、發射線、吸收線、普朗克輻射、基爾霍夫定律、維恩近似、瑞利-金斯近似、維恩定律、斯特潘-玻爾茲曼定律、亮溫度、有效溫度、色溫度、視星等、色指數、絕對星等、氫原子譜線、禁戒線、譜線頻移、譜線展寬。
天體輻射機制這個題目可以開一門課，但是我們今天就簡單介紹一下最基本的東西。可能會涉及一些公式，可以依自己的情況來學習或者略過。
人們獲得天體信息的渠道有四種：電磁輻射、宇宙射線、中微子、引力波。 其中電磁輻射最為重要。電磁輻射由光子構成(粒子性)，光子的能量與頻率(或顏色)有關：頻率越高(低)，能量越高(低)。
我們主要研究的數據分為圖像和光譜兩種。我們使用成像儀來獲取圖像數據，比如下圖就是同一星系在不同波段的直接成像。
我們對空間進行採樣，但是接收光子的波長範圍較寬。下圖是一個光學紅外波段的濾光系統，光子透過率隨著波長的變化，峰值附近的光子能夠最好地被接收，我們不會區分一個波段內的不同光子，也就是沒有譜分辨率。（當然我們現在也會使用積分場光譜儀，同時具有空間分辨率和譜分辨率，可以得到三維的數據，兩維空間，一維光譜頻率）
具體的儀器和測光系統的知識以後也許會涉及。
下面我們講一下光譜的觀測和理解。
我們的光譜一般由三個部分組成：連續譜、發射線、吸收線。如下圖所示，熱的、緻密的固體液體和氣體產生連續譜；熱的、稀薄的氣體產生髮射線；連續譜經過冷的、稀薄的氣體後產生吸收線。
大部分正常恆星的連續譜可以用黑體輻射來近似地表示，也就是普朗克輻射，所以這是天體物理中的一個最基本也最重要的概念。
黑體：能吸收所有的外來輻射(無反射)並全部再輻射的理想天體。
黑體輻射：具有特定溫度的黑體的熱輻射。
普朗克定律：溫度為T的黑體在單位面積、單位時間、單位頻率內、向單位立體角發射的能量為：
黑體輻射在長波和短波分別有兩種近似形式：短波近似又叫維恩近似，長波近似又叫瑞利-金斯近似，所以在長波波段，黑體輻射和溫度是線性關係。
維恩定律（維恩位移定律）是黑體輻射峰值處波長和溫度之間的關係。黑體溫度越高，輻射波長越短。
下圖就是不同天體的熱輻射：顯示了溫度和峰值波長的關係。
斯特潘-玻爾茲曼定律：我們將黑體輻射對頻率進行積分，就會得到總的輻射強度，然後對接收面積進行積分，就會得到總的能量強度，與溫度的四次方成正比。
下面簡單介紹一下天文中的幾種溫度：
亮溫度：假設天體在特定波段下只有黑體輻射，由普朗克公式根據總流量強度算出的溫度。如果亮溫度反常地高，說明可能實際上包含非熱輻射。在射電波段，我們可以使用瑞利-金斯近似：
有效溫度：與黑體輻射的總光度相關。
亮溫度和有效溫度的區別：亮溫度取決於光子頻率，有效溫度與之無關。為了確定有效溫度，我們必須知道源的大小。
色溫度：相關於天體不同波段的相對輻射，反映了天體顏色的差別，與光譜型有關。
亮溫度和有效溫度都取決於源的星等，但是色溫度只取決於光譜的形狀，所以色溫度和有效溫度可能有較大的差別。
下面就講一下恆星的星等。
光度L：天體在單位時間內輻射的總能量，是恆星的固有量。亮度F ：在地球上單位時間單位面積接收到的天體的輻射量。視亮度的大小取決於三個因素：天體的光度、距離和星際物質對輻射的吸收和散射。星等分為視星等和絕對星等。
視星等：古希臘天文學家Hipparcos在公元前150年左右首先創立的表徵恆星亮度的系統(1等星-6等星)。星等值越大，視亮度越低。天文學家在此基礎上建立了星等系統，定義星等相差5等的天體亮度相差100倍，即星等每相差1等，亮度相差 (100)1/5=100.4≈2.512倍。
星等分別為m1和m2的恆星亮度之比為：
視星等的測量通常是在某一波段範圍內進行的，根據測量波段的不同，視星等可以分為目視星等、照相星等和光電星等。在全波段測量得到的星等稱為熱星等。
色指數：在不同波段測量得到的星等之差，如U-B, B-V等。由於天體的顏色和輻射譜的形狀取決於表面溫度的高低，色指數的大小反映了天體的溫度。
絕對星等：天體位於10 pc距離處的視星等，它反映了天體的實際光度。
下面簡單講一下譜線。
原子譜線與原子結構有關，譜線的頻率對應著原子中電子躍遷的頻率。當電子從高能態躍遷到低能態時，原子釋放光子，產生髮射線，反之產生吸收線。當然我們也有分子譜線，與分子的轉動、振動等有關。
下面是氫原子結構和產生的光譜的示意圖。
氫原子光譜有幾個線系，著名的巴爾末線系在光學，而萊曼線系在紫外，剩下的都在紅外或更長的波段。從上圖和下表中都可以看出不同譜線對應的躍遷能級和譜線波長。
根據探測到的譜線，我們就可以確定天體中的化學成分。不同元素的原子具有不同的結構，因而有不同的特徵譜線。
但是還有一種譜線，代表了一些發生概率極低的物理過程，稱為禁戒線。但是正因如此，它們很少受到環境因素的干擾，成為了我們重要的研究目標。比如著名的氫21cm譜線，也叫中性氫線。當氫原子處在能量最低的能級時，質子的自旋狀態從平行變成反平行時會發生超精細分裂。這個躍遷的概率極小（約只有2.9×10−15 s−1），幾乎不可能發生，但是星際空間有大量的中性氫原子，所以這種譜線可以被我們觀測到。
譜線頻移：也就是非常著名的紅移和藍移，一般有多普勒頻移（運動造成）和宇宙學頻移（與距離成正比）。
譜線展寬：自然展寬、壓力展寬、多普勒展寬。輻射源內部原子的無規熱運動、輻射源的整體運動(如轉動)造成譜線致寬。
根據譜線的頻移和展寬，我們也可以分析目標的動力學信息。
【完】
（注：本網絡講座取得主講人Charon授權，由星宇飄零整理並首發於網絡平臺。）
——後記——
這是天文學系列講座的第三講，內容較硬，但讀者可以按照自己的基礎和需求來選擇性吸收，如果你只是作為科普知識吸取，那可以略過所有公式，即使略去所有公式後，這仍然是一篇很硬的科普文。
平常在解釋宇宙學的科普書和科普文中，我們會經常看到光譜這個詞，比如星系（光譜）紅移、宇宙微波背景輻射、引力（光譜）紅移等等……不單如此，對黑體輻射譜的研究直接催生了量子論，並最終建立了現代兩大基礎力學之一的量子力學。
這些故事大家耳熟能詳，但可能我們對光譜具體是怎麼應用於這些分析一頭霧水，從這個講座中我們可以對以往的知識進行一個升級。比如宇宙微波背景輻射是一個連續譜，屬於黑體輻射譜，它的初始頻譜與發出時的初始的溫度有關，而理論上給出這個溫度大約為3000K左右，這是宇宙大爆炸初期高溫等離子體中原子核俘獲電子時的溫度，此時光子不再與中性的原子核耦合，宇宙變得透明，光子開始在宇宙中穿行。這就形成了我們現在探測到的背景輻射，而現在的宇宙微波背景輻射在黑體輻射光譜的溫度為2.72548±0.00057K。
又比如星系紅移，這個詞我們都聽過，但真正知道它具體是怎麼分析出來的卻不多，大家可能只是籠統地知道光譜發生了紅移，而通過今天的講座我們瞭解了發射線和吸收線，這是原子光譜的指紋，每一種元素的
發射線和吸收線都是獨一無二的，相當於元素的指紋，天文學家正式基於氫元素的這種指紋，分析其頻移從而得出所有星系正在遠離的事實，宇宙學家從而建立現在的標準宇宙模型——宇宙大爆炸模型。
元素的指紋也能用於確定天體的元素組成，比如太陽上有哪些元素，我們無法直接上去取樣檢測，但只需要分析其光譜中的發射線和吸收線即可確定它上面擁有哪些元素。不單太陽，遠在一萬光年外的宇宙空間有些什麼元素也能通過它們確定，比如去年的雙中子星碰撞中產生的黃金就是據此測量確定的。
有時我很驚歎於科學家們的智慧，我們這些凡人只能通過這些小知識領略他們智慧的皮毛……
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