عصر کرد - زومیت / دانشمندان با تحلیل اثر انگشت نوری ستارگان، از ترکیبات شیمیایی سیارات و رازهای کیهان پرده برمی‌دارند. این جادوی علم، به عنوان طیف‌سنجی شناخته می‌شود.
بارها در اخبار علمی زومیت و دیگر رسانه‌ها خوانده‌ایم که دانشمندان یک عنصر یا مولکول خاص را در جو سیاره‌ای فراخورشیدی یا یک ستاره در دوردست‌ها کشف کرده‌اند. اما سؤالی که همیشه ذهن را درگیر می‌کند این است: چگونه از این فاصله، بدون نمونه‌برداری فیزیکی، می‌توان به چنین یقینی رسید؟ پاسخ در تکنیکی قدرتمند و جذاب به نام طیف‌سنجی (Spectroscopy) نهفته است؛ روشی که به ستاره‌شناسان امکان می‌دهد «اثر انگشت نوری» اجرام آسمانی را بخوانند و ماهیت آن‌ها را آشکار کنند.
بازار
طیف‌سنجی، هنری علمی در تجزیه‌و‌تحلیل امضای نوری جهان است؛ زبانی که در اجزایش هر اتم و مولکول در طول‌موج‌های خاصی از نور حرف می‌زند و به ما می‌گوید از چه چیزی ساخته شده است. در ادامه با زومیت همراه باشید تا با ماهیت دقیق تکنیک نورسنجی و کاربرد آن در علم آشنا شوید.
از منشور نیوتن تا رمزگشایی رنگین‌کمان‌ها
وقتی آیزاک نیوتن در قرن هفدهم با یک منشور شیشه‌ای، نور سفید را به رنگ‌های رنگین‌کمان تقسیم کرد، جان کیتس، شاعر انگلیسی، ناراحت شد و گفت: «دیگر رنگین‌کمان جادویی نیست؛ زیرا توضیح داده شده است!» اما نیوتن در واقع پنجره‌ای گشود که نه‌تنها زیبایی، بلکه رازهای بنیادی طبیعت را آشکار کرد.
آنچه نیوتن مشاهده کرد، در واقع ترکیب گوناگون طول‌موج‌های نور بود؛ از قرمز با بلندترین طول‌موج تا بنفش با کوتاه‌ترین. اما نکته‌ی جالب‌تر اینکه طیف نور خورشید یکدست نیست؛ در بعضی طول‌موج‌ها خطوط تیره یا روشن دیده می‌شود. آن خطوط مرموز، پیام‌هایی از درون اتم‌ها بودند که بشر تا قرن‌ها بعد معنی‌شان را نفهمید.
هر عنصر مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از خطوط در طول‌موج‌های خاص دارد.
در اوایل قرن نوزدهم، با اختراع ابزارهای دقیق‌تری مثل شبکه‌های پراش، دانشمندان توانستند این خطوط را با وضوح بالا مشاهده کنند. خطوط تیره که با نام خطوط فراون‌هوفر شناخته می‌شوند، نشان‌دهنده‌ی جذب نور در طول‌موج‌های خاص هستند؛ یعنی جایی که اتم‌ها بخشی از نور را بلعیده‌اند.
دانشمندان در قرن نوزدهم دریافتند هر عنصر، درست مثل اثر انگشت برای انسان، مجموعه‌ی منحصربه‌فردی از خطوط در طول‌موج‌های خاص دارد. وقتی یک عنصر را در فشار پایین گرم می‌کردند، نوری منتشر می‌کرد که دقیقاً در همان طول‌موج‌های جذب‌شده در حالت سرد بود. به این خطوط، «خطوط گسیل» گفته شد و همین کشف، کلید رمزگشایی ترکیب ستارگان و سیارات را در اختیار بشر قرار داد.
طیف خورشید با خطوط تیره، نشان‌دهنده جذب نور توسط عناصر در طول‌موج‌های مخصوصشان است.
در آن زمان کسی نمی‌دانست چرا خطوط گسیل وجود دارند، اما حتی بدون پاسخ نظری، کاربرد آن‌ها آشکار بود: با وجود اینکه راز تا قرن‌ها بعد و ظهور فیزیک کوانتوم فاش نشد، از راه همین خطوط می‌توان فهمید در جسمی دوردست چه عناصری وجود دارد، حتی اگر هرگز از نزدیک مشاهده نشده باشد.
تا پیش از طیف‌سنجی اخترشناسی، هیچ‌کس هلیوم را روی زمین ندیده بود.
وقتی دانشمندان طیف نور خورشید را بررسی کردند، متوجه شدند خطوط گسیل نشان‌دهنده‌ی ترکیب درونی خورشید و خطوط جذبی، بیانگر ترکیب جو بیرونی آن است. نور کامل خورشید برای دیدن این خطوط خیلی درخشان است، اما در هنگام خورشیدگرفتگی کامل، فرصتی طلایی برای مشاهده‌ی دقیق‌تر فراهم می‌شود، چون تنها نور مشاهده‌پذیر از لایه‌ی بیرونی خورشید، یعنی کروموسفر، می‌آید.
در سال 1868، طیف‌سنجی اخترشناسی یکی از بزرگ‌ترین لحظات خود را تجربه کرد. در طول خورشیدگرفتگی در هند، اخترشناسان خط زرد ناشناخته‌ای در طیف خورشید مشاهده کردند. ابتدا تصور شد که همان خطوط معروف سدیم است، اما بررسی دقیق‌تر نشان داد عنصر تازه‌ای کشف شده است. عنصر کشف‌شده بعدها هلیوم (He) نام گرفت. تا پیش از آن، هیچ‌کس هلیوم را روی زمین ندیده بود.
ستارگان به ما چه می‌گویند؟
با افزایش قدرت تلسکوپ‌ها، اخترشناسان توانستند نور ستارگان دور را نیز تجزیه‌و‌تحلیل کنند. نتیجه حیرت‌انگیز بود: تقریباً همه‌ی ستارگان از هیدروژن و هلیوم ساخته شده‌اند، اما تفاوت‌های ظریف در مقدار سایر عناصر، سرنخی از سن و خاستگاه آن‌ها به دست می‌دهد. ستاره‌های جوان معمولاً عناصر سنگین کمتری دارند، در حالی که ستارگان پیر، درون خود عناصر سنگین‌تر ساخته‌اند.
وقتی نور ستاره‌ای دور از میان ابرهای گازی یا جو سیارات می‌گذرد، طیف‌سنجی به ما می‌گوید چه عناصری در مسیر وجود دارند. از بازتاب نور خورشید در دنباله‌دارها گرفته تا عبور نور از ابرهای میان‌ستاره‌ای، هرجا نوری هست، طیف‌سنجی می‌تواند کد ترکیب آن را بخواند.
برخی عناصر، مانند آهن، خطوط گسیلی زیادی دارند.
در مواردی خاص، خطوط مربوط به مولکول‌هایی چون آب، متان یا دی‌اکسیدکربن دیده می‌شود. حتی گاهی نشانه‌هایی از مولکول‌هایی پیچیده‌تر ظاهر می‌شود که برای تشکیل حیات ضروری هستند.
هر عنصر یا مولکول، چندین خط در طول‌موج‌های مختلف تولید می‌کند. این مجموعه خطوط، مانند اثر انگشت نوری است؛ هیچ دو ماده‌ای دقیقاً خطوط یکسان ندارند. همین ویژگی است که به دانشمندان امکان می‌دهد با دیدن چند خط ظریف در نور یک ستاره، ترکیب آن را تشخیص دهند.
اما خطوط مربوط به ترکیب‌های پیچیده معمولاً نه در نور مرئی، بلکه در ناحیه‌ی فروسرخ قرار دارند. بنابراین، تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) که در محدوده‌ی فروسرخ کار می‌کند، نقش بزرگی در کشف نشانه‌های حیات دارد.
تلسکوپ جیمز وب هنگام عبور سیارات از برابر ستاره‌هایشان، نور فیلترشده از جو آن‌ها را جمع‌آوری می‌کند تا خطوط جذبی بسیار ضعیفی را شناسایی کند. چون جو سیاره‌های شبیه زمین تنها بخش کوچکی از نور ستاره را جذب می‌کند، تشخیص آن‌ها نیازمند جمع‌آوری داده از ده‌ها گذر سیاره‌ای است.
تطبیق خطوط طیفی با وجود مولکول‌ها پیچیده‌تر از چیزی است که این تصویر نشان می‌دهد، اما همچنان ابزاری کلیدی برای درک جهان هستی محسوب می‌شود.
در واقع، جیمز وب امروز در خط مقدم بزرگ‌ترین پرسش بشر قرار دارد: آیا در جای دیگری از کیهان، حیات وجود دارد؟
اثر دوپلر: متر سرعت کهکشان‌ها
وقتی منبع نور از ما دور می‌شود، طول‌موج‌های نور آن کشیده‌تر می‌شوند و نور به سمت قرمز متمایل می‌شود. به این پدیده «انتقال به سرخ» (Redshift) می‌گویند. اما بدون طیف‌سنجی، این پدیده معنای چندانی نداشت: کهکشان‌های دوردست ممکن بود صرفاً قرمز به نظر برسند، بی‌آنکه بدانیم واقعاً در حال دور شدن هستند یا خیر.
طیف‌سنجی معما را حل کرد. هر عنصر، مجموعه‌ی خاصی از خطوط دارد و اگر همه‌ی آن خطوط با نسبت‌های ثابت به طول‌موج‌های بلندتر منتقل شده باشند، یعنی منبع نور از ما دور می‌شود. مقدار این جابه‌جایی، سرعت حرکت را نشان می‌دهد. با همین اندازه‌گیری‌ها اخترشناسان توانستند نقشه‌ی انبساط کیهان را ترسیم و حتی فاصله‌ی کهکشان‌ها را برآورد کنند.
جالب‌تر اینکه، بعدها همین روش برای کشف نخستین سیاره‌های فراخورشیدی به کار رفت: وقتی حرکت رفت‌وبرگشتی یک ستاره زیر اثر گرانش سیاره‌اش، خطوط طیفی‌اش را اندکی جابه‌جا می‌کرد.
طیف‌سنجی فراتر از نجوم
اگر گمان می‌کنید طیف‌سنجی فقط مخصوص فضاست، شاید نیاز به کمی تجدیدنظر داشته باشید. از قرن نوزدهم، شیمیدانان هم از این روش برای شناسایی ترکیبات ناشناخته استفاده می‌کنند. کافی است نمونه‌ای را گرم کنند و سپس، نور منتشرشده را تجزیه کنند. هر عنصر، خطوط خاص خود را دارد؛ حتی ردی از عناصر بسیار کمیاب نیز در طیف شناسایی‌پذیر است.
طیف‌سنجی در آزمایشگاه‌های امروزی، یکی از دقیق‌ترین ابزارها برای تحلیل مواد شیمیایی است. اما هیچ حوزه‌ای به اندازه‌ی اخترشناسی از این علم بهره نبرده است، زیرا اگر این روش وجود نداشت، عملاً دید ما به کیهان کور بود.
چرا خطوط طیفی وجود دارند؟
راز خطوط طیفی بیش از صد سال ناشناخته ماند، تا زمانی که فیزیک کوانتوم به این معما پاسخ داد. طبق نظریه‌ی کوانتومی، الکترون‌ها نمی‌توانند با هر انرژی دلخواهی به دور هسته بچرخند. آن‌ها فقط در مدارهایی خاص با انرژی‌های مشخص قرار می‌گیرند.
طیف‌سنجی زبان سخن گفتن جهان با انسان است.
وقتی اتم گرم می‌شود، الکترون انرژی جذب می‌کند و به مدار بالاتری می‌رود. اما دیر یا زود، به مدار پایین‌تر برمی‌گردد و انرژی اضافی را به شکل فوتون آزاد می‌کند: نوری با طول‌موج خاص که به صورت خط نشری در طیف دیده می‌شود.
برعکس، وقتی نوری به اتم می‌تابد، اگر فوتون انرژی دقیقی داشته باشد که برابر اختلاف دو مدار باشد، جذب می‌شود و الکترون به مدار بالاتر می‌پرد. اگر انرژی‌اش زیاد یا کم باشد، جذب نمی‌شود و از اتم عبور می‌کند. اینجاست که خطوط جذبی پدید می‌آیند؛ ردی از نوری که بلعیده شده است.
اما ماجرا این‌قدر ساده هم نیست. مولکول‌ها نسبت به اتم‌ها مدارهای انرژی پیچیده‌تری دارند و عواملی مثل میدان‌های مغناطیسی می‌توانند این مدارها را کمی جابه‌جا کنند. نتیجه؟ خطوط طیفی می‌توانند بسته به شرایط تغییر شکل دهند. با‌این‌حال، همین تغییرات نیز اطلاعات بیشتری به دانشمندان ارائه می‌دهند؛ از قدرت میدان مغناطیسی تا دمای محیط و حتی چگالی گازها.
در نهایت، طیف‌سنجی فقط روشی برای اندازه‌گیری نور نیست؛ زبانی است که جهان از طریق آن با ما حرف می‌زند. از نخستین خطوط زرد هلیوم روی خورشید گرفته تا رد ضعیف متان در جو یک سیاره‌ی دور، هر نور حامل داستانی خاص است. طیف‌سنجی هنر شنیدن همین داستان‌هاست؛ هنری که شاید بیش از هر ابزار دیگر، ما را به درکی عمیق‌تر از کیهان نزدیک کرده است.