5：辐射和光谱
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最近的恒星距离太远，以至于人类建造的最快的航天器将需要将近10万年的时间才能到达那里。 但是我们非常想知道这颗邻星是由什么材料组成的，以及它与我们自己的太阳有何不同。 我们怎样才能了解我们无法指望访问或采样的恒星的化学成分？
在天文学中，我们研究的大多数物体都是我们完全无法触及的。 太阳的温度如此之高，以至于航天器在到达之前很久就会被炸毁，而在我们有生之年使用现有技术的情况下，恒星距离太远了，无法访问。 即使是以每秒 300,000 千米（km/s）的速度传播的光，也需要四年多的时间才能从最近的恒星到达我们。 如果我们想了解太阳和恒星，就必须依靠使我们能够远距离分析它们的技术。
- 5.1: 光的行为
- 詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）表明，每当带电粒子改变其运动时，就像它们在每个原子和分子中一样，它们都会发出能量波。 光是这种电磁辐射的一种形式。 光的波长决定了可见辐射的颜色。 波长 (l) 通过方程 c = λf 与频率 (f) 和光速 (c) 相关。 电磁辐射有时表现得像波浪，但在其他时候，它的行为就好像是粒子，叫做光子。
- 5.2: 电磁频谱
- 电磁频谱由伽马射线、X 射线、紫外线辐射、可见光、红外线和无线电辐射组成。 其中许多波长无法穿透地球大气层，必须从太空观测，而其他波长（例如可见光、调频广播和电视）可以穿透到地球表面。 电磁辐射的发射与源的温度密切相关。
- 5.3: 天文学中的光谱学
- 光谱仪是一种形成光谱的设备，通常利用色散现象。 来自天文源的光可以由连续光谱、发射（亮线）光谱或吸收（暗线）光谱组成。 由于每种元素都以我们观察到的线条模式留下其光谱特征，因此光谱分析揭示了太阳和恒星的构成。
- 5.4: 原子的结构
- 原子由一个包含一个或多个带正电荷的质子的原子核组成。 除氢以外的所有原子也可以在原子核中包含一个或多个中子。 带负电荷的电子绕原子核运行。 质子的数量决定了原子的元素（氢有一个质子，氦有两个质子，依此类推）。 质子数量相同但中子数量不同的原子核是同一元素的不同同位素。
- 5.5: 光谱线的形成
- 当电子从较高的能量水平移动到较低的能级时，会发射光子，并且在光谱中可以看到发射线。 当电子吸收光子并移动到更高的能量水平时，就会看到吸收线。 由于每个原子都有自己的特征能级集，因此每个原子都与独特的光谱线模式相关联。 这使天文学家能够确定恒星中以及恒星之间的气体和尘埃云中存在哪些元素。
- 5.6: 多普勒效应
- 如果当电子改变轨道并产生光谱线时，原子正在向我们移动，我们会看到该线在光谱中略微向其正常波长的蓝色移动。 如果原子移开，我们就会看到这条线向红色移动。 这种偏移被称为多普勒效应，可用于测量远处物体的径向速度。
缩略图：这张太阳的照片是在几种不同波长的紫外线下拍摄的，我们的眼睛看不见，然后用颜色编码，它揭示了太阳大气中在可见光下无法观察到的活动。 这就是为什么以光谱可见波段以外的波长观测太阳和其他天体很重要的原因。 这张照片是由卫星从地球大气层上空拍摄的，这是必要的，因为地球的大气层吸收了来自太空的大部分紫外线。 （来源：美国宇航局对作品的修改）。