从星光中摄取宇宙奥秘的观天利器

从星光中摄取宇宙奥秘的观天利器

之前在《科学家如何逆天：牛顿的叹息、冷战和自适应光学》里，笔者曾经为大家介绍过当前光学红外天文望远镜里最前沿的观测设备——自适应光学系统。咱们这次聊一聊几乎在所有光学红外天文台的望远镜上都有所配备的一个既有着漫长历史，却仍活力四射的一件观天利器——光谱仪。

光，在我们身边无时不刻不在帮助着我们认识世界。

物体的形状、颜色、表面质感这些信息都在物体被光照射下被我们人眼所接收，被我们人脑所处理，最终得以理解。牛顿老爷子在他还是个年轻人的时候，就想知道这神奇的光是怎么组成的，把日光这白光分解后能够看到什么？于是乎，牛老爷就设计了一个实验。他在窗户边上立了块开了个小洞的木板，只有那些可以穿过小洞的日光才能照射到与小孔存在一定距离的一块三棱镜。在三棱镜后面立着一块白布，作为接收屏。

当日光穿过小洞，经过三棱镜后，白色的日光就被分解为彩虹一样的颜色。这个实验一方面证明了白色的日光可以分解为不同颜色的光线，同时棱镜这种光学元件具有将颜色分散开的能力（色散）；另一方面，这个实验实际上也开启了人类在光谱学方面的研究。而光谱学正是天文学家利用来自天体的光在不同颜色上的特征（光谱），研究天体诸如温度、质量、气体物质成分、运动速度等一系列性质的重要工具。

光谱仪的基本结构如图4所示。

五部分构成了一台光谱仪：狭缝（slit）、准直镜（collimator）、色散元件（grating）、成像镜头（camera）、探测器（detector）。整个光谱仪由五部分组成。首先是置于望远镜焦平面的将来自光源的光导入光谱仪的小孔或狭缝。

望远镜在成像的时候成像视场里面总会有多个天体，这里之所以要有个小孔或者狭缝，其主要的目的就是用于限制进入到光谱仪的光（这里我们把没有被故意色散的光都叫白光）均来自于这些天体中我们感兴趣的那一个（单个狭缝）或者几个天体（多个狭缝，后面会讲到）。由于小孔开在焦平面，其后光线必然发散，所以在进入色散元件之前需要把发散的光线变成平行光，这就需要用到准直镜这样的玩意了。

准直以后的白光被送往色散元件，打散成彩虹一般的颜色。为了将光谱有效地投射到那又小又贵的探测器上，在色散元件和探测器之间还需布置成像光路。最后，我们就能在探测器上看到那神奇美丽（看多了也无聊）来自天体的光谱了。

其实再复杂的仪器，原理说起来都是这么简单，但细节永远让人抓狂。在这方面，光谱仪绝对可以称得上光学设备中最复杂的几种设备之一了。我们这里单拿其中的色散元件来说。

由于棱镜这种透射式元件尺寸很难做大，性能和价格上都难于超过反射式光学器件。为了保证光效率，目前天文领域使用的色散元件以反射式衍射光栅为主。这种器件在它一侧的平面上被刻蚀了一条一条斜着的槽。当光照射向这些斜槽并被反射的时候，每一个斜槽就相当于咱们中学学到的多缝衍射实验中的一条缝。反射出去的光就会发生衍射。衍射的结果就是会出现周期性（不同阶）且色散程度不同的彩虹条纹。

这也就是说，在0阶光谱对应的角度我们看到的白光还是白光，在1阶光谱对应的角度我们假设想看600到800纳米的光，但在这个角度由于2阶光谱色散程度更高，2阶光谱的300到400纳米的光也会出现在这个角度，与1阶光谱600到800纳米的光叠加在一起……同时，由于不同光栅表面斜坡的刻蚀密度（线/mm）不同，导致色散程度的不同，斜坡的角度（闪耀角）不同，导致对应色散最灵敏的波长（闪耀波长）也不同。

闪耀光栅只在特定一个角度反射最强，这个角度对应一个波长，而对于其他其他角度，偏离这个角度越多反射也就越暗。因此，如何合理选择光栅又成了一个问题。更不要提由于光路设计，由于棱镜本身会产生变形失真，因此光谱是弯曲的，探测器响应又不均匀这一个又一个需要量化处理的问题……所以对于一位使用光谱仪进行天文观测的天文学家而言，无论是在使用它之前还是之后，相应的工作真的是非常繁琐。