Velik dio onoga što znanost zna o svemiru izvan Zemlje potječe iz jedne ključne metode, spektroskopije. Ova tehnika omogućila je da otkrijemo kemijski sastav zvijezda, planeta, kometa i galaksija, i to bez da smo ikada fizički stigli do njih. Kroz stoljeća, spektroskopija se razvila u temeljno oruđe moderne astronomije, fizike i kemije.
Kada je Isaac Newton upotrijebio prizmu kako bi razdvojio svjetlost na spektar boja, izazvao je bijes pjesnika Johna Keatsa, koji je tvrdio da su duge izgubile svoju ljepotu time što su objašnjene (zanemarujući pritom činjenicu da su i drugi to učinili prije Newtona). Ipak, upravo je tim pokusom Newton otvorio vrata otkriću mnogih novih tajni prirode, uz estetsku ljepotu samog fenomena.
Spektar koji je Newton uočio postoji zato što svjetlost dolazi u različitim valnim duljinama, crvena ima najdužu, a ljubičasta najkraću koju ljudsko oko može vidjeti. Sunčev spektar nije jednako sjajan na svim valnim duljinama; intenzitet je najviši u zelenom području, ali na određenim valnim duljinama uočavaju se tamne i svijetle linije. Tek je u 19. stoljeću, s pojavom optičkih rešetki koje su zamijenile prizme, postalo moguće proučavati te linije dovoljno jasno.
Tamne linije poznate su kao apsorpcijske ili Fraunhoferove linije, a znanstvenici su u 19. stoljeću uspjeli povezati određene linije s prisutnošću elemenata ili molekula u atmosferi Sunca i Zemlje. Dodatna su istraživanja pokazala da elementi, kada se zagrijavaju pod niskim tlakom, emitiraju svjetlost iste valne duljine (emisijske linije) koju bi isti element, na nižoj temperaturi, apsorbirao. Razlog zbog kojeg elementi imaju karakteristične linije na točno određenim valnim duljinama tada još nije bio poznat, ali znanstvenici su već prepoznali golemi potencijal tog otkrića.
Spektroskopija u astronomiji
Emisijske linije brzo su otkrile sastav Sunca, dok su apsorpcijske pokazale što se nalazi u njegovoj vanjskoj atmosferi. Budući da je Sunčeva svjetlost izuzetno jaka, emisijske linije teško se razlikuju od pozadine, no za vrijeme potpunih pomrčina jedini vidljivi sloj postaje vanjska atmosfera Sunca, kromosfera. Spektar zabilježen tijekom tih pomrčina pokazao je da kromosfera sadrži poznate elemente, ali 1868. godine, tijekom pomrčine u Indiji, otkrivena je nova, do tada nepoznata žuta linija. Isprva su je zamijenili s natrijevim linijama bliskih valnih duljina, ali su astronomi ubrzo shvatili da mora pripadati nepoznatom elementu, nazvanom helij.
Razvojem teleskopa i mogućnošću prikupljanja sve više svjetlosti, astronomi su počeli uspoređivati spektre različitih zvijezda. Uvidjeli su da su vodik i helij gotovo uvijek najzastupljeniji elementi, dok razlike u količinama ostalih elemenata mogu otkriti starost i podrijetlo zvijezde.
Kada svjetlost udaljenih zvijezda prolazi kroz oblake plina ili se Sunčeva svjetlost odbija od kometa, spektroskopija omogućuje otkrivanje ne samo elemenata, nego i molekula poput vode ili ugljikova dioksida. Ponekad se prepoznaju i linije složenijih molekula, što sugerira da bi gradivni elementi života mogli imati kozmičko podrijetlo. Budući da svaka molekula proizvodi više linija, njihov jedinstveni raspored djeluje poput otiska prsta.
Spektralne linije složenijih molekula obično se nalaze u infracrvenom području, a ne u vidljivom spektru. Jedan od glavnih ciljeva svemirskog teleskopa James Webb upravo je prikupljanje infracrvenog zračenja zvijezda koje prolazi kroz atmosfere njihovih planeta tijekom tranzita. Budući da Zemlji slični planeti zaklanjaju vrlo mali dio svjetlosti, apsorpcijske su linije iznimno slabe. Tek kombiniranjem podataka iz brojnih tranzita moguće je uočiti tragove molekula koje tražimo. U tom se procesu možda krije odgovor na jedno od najvećih pitanja čovječanstva.
Pomak prema crvenom i širenje svemira
Kada se izvor svjetlosti udaljava od nas, njegove se valne duljine produžuju, svjetlost se pomiče prema crvenom dijelu spektra. Bez spektroskopije to nam ne bi značilo mnogo: udaljene bi galaksije jednostavno izgledale crvenije, ali ne bismo znali je li to zbog njihove boje ili gibanja. Spektroskopija to mijenja jer nam omogućuje da prepoznamo određene, karakteristično raspoređene linije. Ako su one pomaknute prema duljim valnim duljinama (primjerice, natrijeve linije u crvenom ili infracrvenom području), znamo da se izvor brzo udaljava. Stupanj pomaka govori koliko brzo se objekt kreće, a time i kolika mu je približna udaljenost u svemiru koji se širi.
Ova je metoda bila ključna za određivanje razmjera svemira, ali i za otkriće većine prvih planeta izvan Sunčeva sustava.
Spektroskopija, međutim, nije ograničena samo na astronomiju. Još od sredine 19. stoljeća koristi se i u kemiji, gdje se uzorci nepoznatog sastava zagrijavaju dok ne počnu emitirati svjetlost. Analizom emisijskih linija može se prepoznati prisutnost tragova elemenata koje bi bilo teško otkriti drugim metodama. Iako spektroskopija nije jedina metoda identifikacije tvari, za astronome je postala nezamjenjiva, upravo su im te linije otvorile prozor prema svemiru.
Zašto spektralne linije postoje
Prošlo je više od stoljeća između otkrića spektralnih linija i njihova objašnjenja. Kvantna fizika pokazala je da elektroni u atomima ne mogu kružiti bilo kojom energijom, nego samo unutar diskretnih energetskih razina, orbitala. Kada se atom zagrije, elektroni apsorbiraju energiju i prelaze na više orbite. No ono što poleti, mora se i spustiti: pri povratku na nižu razinu, elektroni oslobađaju energiju u obliku fotona. Budući da energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini, razlika između orbitala rezultira svjetlošću određene valne duljine. Kad mnogo elektrona napravi isti skok, nastaje emisijska linija vidljiva u spektru.
Slično vrijedi i za apsorpciju: ako foton nosi energiju koja točno odgovara razlici između dvije orbite, elektron će ga apsorbirati i “preskočiti” na višu razinu. Ako energija fotona ne odgovara nijednom mogućem prijelazu, on prolazi kroz atom neometano, sve dok ne stigne do naših instrumenata.
Naravno, stvarnost je složenija. Molekule imaju drukčite energetske razmake od elemenata koji ih čine, a magnetska polja dodatno mogu mijenjati te razine. To može otežati identifikaciju, ali istodobno pruža dodatne slojeve informacija. Upravo u toj složenosti leži snaga spektroskopije: sposobnost da iz jednog snopa svjetlosti iščita kemijski sastav, gibanje i fizičko stanje objekata udaljenih milijardama kilometara.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
![Dana 25. studenog 2024., raketa Long March-2C uspješno je lansirana iz Satelitskog centra Jiuquan u sjeverozapadnoj Kini, noseći dva napredna satelita u orbitu. Lansiranje je izvedeno u 7:39 po pekinškom vremenu, postavljajući satelite Siwei Gaojing-2 03 i Siwei Gaojing-2 04 u njihovu predodređenu putanju. [Foto/Xinhua].](https://kozmos.hr/wp-content/uploads/2024/11/Kineski-pametni-sateliti-mijenjaju-nacin-na-koji-promatramo-Zemlju-iz-svemira.jpeg)
