分光学：目に見えない世界を分析する鍵

分光分析の歴史における主要な段階

そこには可視光赤外線から紫外線までの振動は、電磁スペクトルの狭い範囲の振動にすぎませんが、環境に関して私たちの目によって変換される主要な情報であるため、特に重要です。

ヨーゼフ・フォン・フラウンホーファー(1787-1826) は、1814 年に太陽スペクトルの可視光の中で、いわゆるフラウンホーファー線に最初に気づきました。 このドイツの眼鏡技師兼物理学者は 1815 年に分光器を発明し、光学格子を使用した光の回折 (フラウンホーファー回折) を初めて研究しました。

現時点では、光の可視スペクトルにこれらのフラウンホーファー線が存在する理由はわかりません。 それはずっと後の 1860 年になってからでした。ロベルト・ヴィルヘルム・ブンゼン(1811-1899) とグスタフ・ロベルト・キルヒホフ(1824-1887) は、白熱物体が発する光のスペクトル線が、この物体を識別できるようにする特徴を構成していることを発見しました。 太陽光のスペクトルを観察することで、セシウムやルビジウムなど、地球上に存在するいくつかの化学元素を認識します。 したがって、太陽には地球と同じ化学元素が含まれているということになりますが、これは驚くべきことです。

光の歴史は、物理学における重要な段階を次々と経ます。クリスチャン・ホイヘンスそして 1678 年の彼の波動理論、実験若い1801年、光線がフラウンホーファー1814年の回折では、フレネル1815年（光の波の性質の説明）、太陽のスペクトルブンゼンとキルヒホッフ1850年、電磁気学はマクスウェル1864年にヘリウムの未知の黄色い線が1895年に現れるまで、マックス・プランク（1900年）とアルバート・アインシュタイン(1905) 光の粒子の性質について。

分光学、宇宙を解読するために不可欠なツール

分光法は、多くの場合、私たちの予想をはるかに超えた、予期せぬ情報を多数提供することで、宇宙の性質を明らかにします。光の単純な特性である色を観察することで、私たちは貴重なデータを得ることができます。たとえば、若くて非常に熱い青い星は、年を重ねて質量が小さく、温度も低い赤い星とは対照的です。この原理は銀河にも当てはまり、その主な色相 (青または赤) によって銀河の年齢を推定することができます。

電磁スペクトル、情報の宝庫

分光法は、可視か否かにかかわらず、電波からガンマ線まで、あらゆる種類の放射線をカバーする光のスペクトルを分析することで構成されます。天体から来る光を分解すると、輝線（黒い背景に色の付いた帯）と吸収線（色の付いた背景にある暗い線）が観察されます。これらの線は、光が通過した原子のエネルギーレベルを反映しており、その結果、原子の化学組成が明らかになります。

星の構図からダイナミクスまで

科学者はこれらの線の太さを研究することで、元素の存在量を判断します。線がよりはっきりとマークされているほど、元素が大量に存在していることを示します。分光法では、ドップラー・フィゾー効果を利用して天体の動きを測定することも可能です (1842)。

これらの技術を使用すると、天文学者は、星、銀河、クエーサー、星間雲などのさまざまな物体の化学組成、力学、さらには構造を再構築することができます。したがって、分光法は宇宙の親密さに開かれた窓です。

分光法: 宇宙を解読する鍵

白色光が化学元素を通過すると、特定の波長が吸収され、回折スペクトルに黒い線が現れます。これらの元素の特徴である吸収線は、化学的特徴として機能します。したがって、星から発せられる白色光が大気中のイオンを通過した後に分析することで、その化学組成を決定することができます。

注目すべき事実: 元素の吸収線はその輝線に正確に対応します (画像のリチウムの例に示すように)。言い換えれば、要素は、同じ波長で放出できるのと同じ放射線を吸収します。

分光法の応用

銀河の回転: 星のスペクトルシフトを測定することにより、銀河の回転曲線を再構築します。予想に反して、周辺の星も中心の星と同じくらいの速さで動いており、暗黒物質の存在を示している。

ガンマ バースト: ガンマ線のこれらの短いフラッシュ (数秒) は、目に見えるかすかな輝きを残します。それらのスペクトルは遠くの星の構成を明らかにし、若い宇宙を垣間見ることができます。このおかげで、物理法則と化学元素は観測可能な宇宙全体で均一であることがわかります。

化石放射線: 分光法によりその温度が 2.7 K であることが確認され、宇宙が過去にはもっと暑かったことが証明されました。

最後に、この技術は目に見えるものに限定されません。電波 (低エネルギー) から X 線やガンマ線 (高エネルギー) まで拡張されており、宇宙を探索するための普遍的なツールとなっています。