สเปกโทรสโกปี: แยกแสงเพื่ออ่านข้อมูลของดาว

ในปี ค.ศ. 1666 นิวตันแสดงว่าแสงอาทิตย์ที่ผ่านปริซึมแยกออกเป็นสีรุ้ง ราว 150 ปีต่อมา โยเซฟ ฟอน เฟราน์โฮเฟอร์ ช่างทำเลนส์ชาวเยอรมัน พบว่าสเปกตรัมของดวงอาทิตย์มีเส้นมืดเล็ก ๆ อยู่หลายร้อยเส้น จนกลางคริสต์ศตวรรษที่ 19 กุสทาฟ เคียร์ชฮอฟฟ์ และ โรแบร์ท บุนเซน จึงพบว่าแต่ละเส้นเป็นลายนิ้วมือของธาตุชนิดหนึ่ง สเปกโทรสโกปีทางดาราศาสตร์จึงเกิดขึ้น

เครื่องแยกสเปกตรัม

เครื่องแยกสเปกตรัมสมัยใหม่ใช้เกรตติงการเลี้ยวเบน แทนปริซึม คือแผ่นที่มีร่องขนานกันละเอียดมากหลายร้อยถึงหลายพันร่องต่อมิลลิเมตร แสงแต่ละความยาวคลื่นเลี้ยวเบนเป็นมุมต่างกันตาม

เมื่อ d คือระยะห่างระหว่างร่อง และ m คือลำดับของการเลี้ยวเบน ความสามารถในการแยกเส้นที่ชิดกันวัดด้วยกำลังแยกสเปกตรัม R=\lambda/\Delta\lambda คือความยาวคลื่นหารด้วยผลต่างของความยาวคลื่นที่น้อยที่สุดที่ยังแยกออกจากกันได้ เครื่องที่ดีที่สุดสำหรับค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบมีกำลังแยกมากกว่าหนึ่งแสน และมีความเสถียรสูงมาก

สิ่งที่อ่านได้จากสเปกตรัม

• องค์ประกอบทางเคมี จากตำแหน่งของเส้นสเปกตรัม
• อุณหภูมิ จากรูปร่างของสเปกตรัมต่อเนื่องและว่าเส้นใดเข้มหรือจาง
• ความเร็วแนวเล็ง จากการเลื่อนดอปเพลอร์ของเส้นทั้งชุด
• การหมุน ดาวที่หมุนเร็วมีเส้นกว้างขึ้น เพราะขอบด้านหนึ่งเคลื่อนเข้าหา อีกด้านเคลื่อนออก
• ความหนาแน่นและแรงโน้มถ่วงที่ผิว จากความกว้างของเส้น ใช้แยกดาวยักษ์กับดาวแคระ
• สนามแม่เหล็ก จากการแยกเส้นตามปรากฏการณ์ซีมัน
• ระยะทางของดาราจักร จากการเลื่อนทางแดง
• บรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ แสงดาวที่ผ่านบรรยากาศของดาวเคราะห์ขณะผ่านหน้า มีเส้นดูดกลืนของโมเลกุลอย่างน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และมีเทน

การค้นพบที่มาจากสเปกตรัม

เกือบทุกการค้นพบใหญ่ของดาราศาสตร์ในศตวรรษที่ผ่านมาอาศัยสเปกโทรสโกปี เช่น การที่ดาวฤกษ์ประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ การขยายตัวของเอกภพ ควอซาร์ที่อยู่ไกลมาก ดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกรอบดาวแบบดวงอาทิตย์ และการขยายตัวที่เร่งขึ้นของเอกภพ ปัจจุบันเครื่องแยกสเปกตรัมแบบหลายช่อง เช่น ของโครงการ DESI วัดสเปกตรัมของดาราจักรได้ 5,000 ดวงพร้อมกันในการถ่ายครั้งเดียว