Pradėjęs rašinėti apie visokius mokslo populiarinimus, kažkaip primiršau fiziką ir visokius nuostabumus, kurių joje galima rasti. Bet taip atsitiko, kad prieš porą dienų padėjau vienam žmogui ruoštis egzaminui ir aiškinau, iš kur atsiranda visokie spektrai. Pamaniau, kad gal ir kai kuriems blogo skaitytojams tai pasirodys ne taip nuobodu, kaip standartinė pamoka mokykloje.

Tad pirmiausia – kas yra spektras? Šiuolaikinis mokslinis apibrėžimas būtų toks: tai yra funkcija, apibrėžianti tam tikro bangų rinkinio intensyvumo priklausomybę nuo dažnio. Skamba labai protingai? Nesijaudinkite, nieko čia tokio baisaus nėra, tačiau dalykas tai labai svarbus ir naudingas. Kalbant truputį tiksliau, labai naudinga yra informacija apie elektromagnetinių bangų spektrus, leidžianti nustatyti tuos spektrus skleidžiančių objektų savybes. Astrofizikinių tyrimų atveju, tai yra bene vienintelis būdas nustatyti tas savybes, nes visa informacija, gaunama apie dangaus kūnus, mus pasiekia būtent elektromagnetinėmis bangomis.

Spektrai būna įvairių tipų. Paprasčiausias „spektras“ iš tiesų yra visiškai ne spektras, o tiesiog vieno dažnio banga. Tokia banga vadinama monochromatine (iš graikų kalbos, „vienspalvė“) ir apie ją daugiau nelabai yra ko pasakoti. Turbūt lengviausiai paaiškinamas „tikras“ spektras yra vadinamasis šiluminis, arba Planko spektras. Jei paimtume idealizuotą kūną – t.y. tokį, kuris sudarytas iš visiškai vientisos medžiagos, o ne atomų irba molekulių – ir jį pašildytume, jis imtų spinduliuoti. To spinduliavimo spektras priklauso tik nuo kūno temperatūros. Šią savybę pirmasis teoriškai paaiškino Maksas Plankas (Max Planck) XX a. pradžioje, o teoriją vėliau gerokai papildė Satjendras Bozė (Satyendra Bose) ir Einšteinas. Šitas spektras dar kartais vadinamas „visiškai juodo kūno“ spektru. „Visiškai juodas“ šiuo atveju reiškia tai, kad kūnas neatspindi nė kiek į jį krentančios šviesos, o visą sugeria. Žemiau esančiame paveiksliuke vaizduojami keli šiluminiai spektrai ir matomos jų pagrindinės savybės – karštesni kūnai spinduliuoja stipriau, o šaltesnių kūnų spinduliavimas yra stipriausias ties didesniais bangos ilgiais (t.y. žemesniu dažniu).

Šitoks modelis, savaime suprantama, yra labai apytikris. Realūs objektai yra sudaryti iš atomų ir molekulių, taigi nėra vienalyčiai, be to, jie sugeria tik dalį į juos krentančios energijos. Vienintelis žinomas natūralus dalykas, spinduliuojantis šiluminį spektrą, yra kosminis mikrobangų fonas – Didžiojo sprogimo aidas. Bet daugybė kitų objektų – žvaigždės, planetos, tarpžvaigždinių dujų debesys – gali būti apytikriai prilyginti „visiškai juodiems“. Jų spektrai yra pakankamai artimi idealiam šiluminiam (žr. paveiksliuką žemiau), kad būtų galima daryti išvadas, pavyzdžiui, apskaičiuoti kūno temperatūrą.

Šiluminis spektras gali papasakoti gana daug, bet dar daugiau galime sužinoti iš absorpcijos ir emisijos spektrų. Kad suprastume, iš kur jie atsiranda, reikia turėti šiek tiek žinių apie kvantinę mechaniką. Dar nepabėgote? Puiku. Taigi, atomai yra sudaryti iš branduolio, apie kurį sukasi elektronai. Šitie elektronai gali suktis tik tam tikrose orbitose, o kiekviena orbita turi ją atitinkančią elektrono energiją. Vadinasi, elektronai gali turėti tik tam tikras griežtai apibrėžtas energijos vertes. Tai yra vadinama energijos lygių kvantizacija ir nuo čia prasideda kvantinė mechanika. Bet į ją giliau lįsti nėra reikalo, svarbu tik atsiminti apie šituos energijos lygius. Ir dar svarbu suprasti gana paprastą iš to sekančią išvadą, kad jei į atomą pataiko fotonas (t.y. bangos dalelė), kurio energija yra tiksliai lygi skirtumui tarp energijos lygio, kuriame dabar yra to atomo elektronas, ir kažkurio kito to atomo energijos lygio, tai fotonas bus sugertas ir elektronas peršoks į tą aukštesnį energijos lygį.

Elektronai, esantys ne žemiausiuose įmanomuose atomo energijos lygiuose, yra linkę į tuos lygius „nukristi“, nes bet kokia sistema stengiasi pasiekti žemiausios energijos būseną. Taip „krentantis“ elektronas praranda energiją ir išspinduliuoja fotoną. Kartais tai bus tik vienas fotonas, kurio energija bus tokia pati, kaip ir anksčiau sugertojo, tačiau gali būti ir kitaip – elektronas žemyn „kristi“ gali per keletą tarpinių energijos lygių ir išspinduliuoti keletą fotonų, kurių kiekvieno energija bus mažesnė, nei pirmojo. Taip pat gali būti, kad elektronas aukštame energijos lygyje atsiranda visiškai ne dėl sugerto fotono, o, pavyzdžiui, dėl to, kad tas atomas susidūrė su kitu atomu ir taip įgijo energijos. Galų gale net jeigu išspinduliuotas fotonas yra tokios pačios energijos, kaip ir prieš tai sugertasis, tai fotono judėjimo kryptis gali būti visai kitokia, nei sugertojo.

Kodėl apie visą tai rašiau? Ogi todėl, kad dabar pasiūlysiu įsivaizduoti didelį fotonų srautą, lekiantį pro didelį dujų debesį. Tų fotonų energija gali būti labai įvairi – galbūt jie išspinduliuoti įkaitusio kūno, t.y. jų spektras yra šiluminis; galbūt kažkoks kitoks, tai neturi ypatingos reikšmės. Dujų debesyje yra įvairių atomų, kurių elektronai, šokinėdami nuo vieno energijos lygio į kitą, sugeria dalį fotonų, bet būtent tik tuos, kurių energija yra tinkama. Taip atomai irgi kažkiek „sušyla“ ir ima spinduliuoti, bet jie jau spinduliuoja visomis kryptimis, tad ta pačia kryptimi, kaip pradinis srautas, lekiančių fotonų skaičius sumažėja. Na o pro dujų debesį pralėkęs fotonų srautas gali būti pastebėtas Žemėje, kur jis bus užfiksuotas kaip kažkoks pagrindinis spektras su daug įdubimų. Tų įdubimų padėtis (t.y. bangos ilgis, kurį turintys fotonai buvo sugerti), gylis (t.y. sugertų fotonų kiekis) bei kiekis leidžia labai daug pasakyti apie fotonus sugėrusio dujų debesies savybes. Kiekvienas cheminis elementas turi savitus energijos lygius, tad ir sugerties, arba absorpcijos, spektras bus kitoks. Tad iš turimo spektro galima nustatyti elementų kiekius bei jų santykius. Pavyzdinis, labai paprastas, absorpcijos spektras pateiktas žemiau.

Emisija, arba spinduliavimas, yra procesas, priešingas absorpcijai. Jeigu kūnas yra įkaitinamas arba kaip nors kitaip jo elektronai priverčiami pakilti į aukštesnius energijos lygius, jie pradės „kristi“ į žemesnius ir spinduliuos fotonus. Tie fotonai sklis visomis kryptimis, ir jeigu kuria nors kryptimi sklis tik naujai atomų išspinduliuoti fotonai, tai stebėtojas matys emisijos spektrą. Paprastai emisijos spektrai būna ryškūs tada, kai šiluminis spektras santykinai silpnas. Tokie spektrai daug pasako, pavyzdžiui, apie žvaigždžių cheminę sudėtį. Vienas realus spektras pateiktas žemiau.

Atkreipkite dėmesį, kad iš tikro spektrinių linijų jame yra daugybė, bet tik kai kurios yra pakankamai stiprios, kad būtų vertos tyrinėjimo. O tai tėra tik vieno elemento – titano – laboratorinis spektras. Tikrose sistemose elementų būna daug, tad ir linijų identifikuojama šimtai. Jos gali duoti begalę informacijos, jei tik mokėsime perskaityti tai, kas jose parašyta.

Tai tiek šiam kartui. Jau galite atsibusti.