สเปกตรัมของดาว

เราเรียกกรรมวิธีที่นักดาราศาสตร์ศึกษาดาวฤกษ์โดยการสังกตจากสเปกตรัมของดาวว่า "สเปกโตรสโคปี" (Spectroscopy) โดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์ต่อพ่วงกับกล้องโทรทรรศน์ เพื่อรวมแสงดาวเข้ามาผ่านเกรตติงเพื่อแยกแสงดาวออกเป็นสเปกตรัมช่วงคลื่นต่างๆ แล้วบันทึกภาพด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD สเปกตรัมบอกสมบัติของดาว 3 ประการ คือ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลก

อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์

นักดาราศาสตร์ศึกษาอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ได้จากสเปกตรัมที่ดาวแผ่รังสีออกมา โดยพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นเข้มสุดทึ่ดาวแผ่รังสีออกมา (λmax) กับอุณหภูมิพื้นผิว (T) ตามกฎการแผ่รังสีของวีน λmax = 0.0029/T ซึ่งอธิบายอย่างสั้นๆ ว่า "ความยาวคลื่นของรังสีเข้มสุดที่ดาวแผ่ออกมา แปรผกผันกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว" ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอัลตาไวโอเล็ตที่ความยาวคลื่น 250 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 12,000 K ดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดในช่วงแสงที่ตามองเห็นที่ความยาวคลื่น 500 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K และดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 1,000 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 3,000 K ตามลำดับ

ภาพที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและการแผ่รังสี

องค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์

ในการศึกษาองค์ประกอบของดาวฤกษ์ด้วยการวิเคราะห์สเปกตรัม นักดาราศาสตร์แบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M โดยมีคำพูดให้ท่องจำได้ง่ายว่า Oh Be A Fine Girl Kiss Me (เป็นเด็กดีก็จูบฉัน) ดังตัวอย่างในภาพที่ 2 ดาวสเปกตรัม O เป็นดาวที่มีอุณหภูมิสูงถึง 35,000 K ดวงอาทิตย์เป็นดาวสเปกตรัม G มีอุณหภูมิปานกลาง 5,800 K ส่วนดาว M เป็นดาวที่มีอุณหภูมิต่ำ 3,500 K (ภาพที่ 4) จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของดาวฤกษ์แต่ละประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำ ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบในบรรยากาศที่ห่อหุ้มดาวแตกต่างกัน เส้นดูดกลืนของสเปกตรัม O เกิดจากการดูดกลืนของอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียม ส่วนเส้นดูดกลืนของดาวสเปกตรัม K เกิดจากการดูดกลืนของธาตุหนักหลายชนิด นอกจากนั้นยังพบเส้นดูดกลืนของโมเลกุลเป็นจำนวนมาก เนื่องจากอุณหภูมิต่ำพอที่อะตอมสามารถจับตัวกันเป็นโมเลกุล เช่น ไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น

ภาพที่ 2 สเปกตรัมของดาวฤกษ์ 7 ประเภท

ทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์

นักดาราศาสตร์ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่สัมพัทธ์กับโลก โดยอาศัยปรากฎการณ์ดอปเปลอร์ ในภาพที่ 3 แสดงสเปกตรัม 3 แบบ ได้แก่

สเปกตรัมของดาวฤกษ์ในสภาวะปกติแสดงอยู่ตรงกลาง มีเส้นดูดกลืนรังสีซึ่งเกิดจากการยกตัวของอิเล็กตรอนวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุไฮโดรเจน จากชั้นที่ 2 ไปยังชั้นที่ 6, 5, 4, 3 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 410 nm (H-delta), 434 nm (H-gamma), 486nm (H-beta), 656 nm (H-alpha) ตามลำดับ เรียกว่า บาลเมอร์ซีรีส์
การเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) ซึ่งแสดงในแถบล่าง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ในทิศทางเข้าหาโลก ทำให้เราสังเกตเห็นความยาวคลื่นสั้นกว่าความเป็นจริง เส้นดูดกลืนรังสีทั้งสี่เส้นจึงเคลื่อนที่ไปทางด้านสีม่วง
การเลื่อนทางแดง (Redshift) ซึ่งแสดงในแถบบน เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ในทิศทางออกห่างจากโลก ทำให้เราสังเกตเห็นความยาวคลื่นมากกว่าความเป็นจริง เส้นดูดกลืนรังสีทั้งสี่เส้นจึงเคลื่อนที่ไปทางด้านสีแดง

ภาพที่ 3 การเคลื่อนที่ของเส้นดูดกลืน

ปรากฎการณ์ดอปเปลอร์บอกค่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ได้เป็นการเคลื่อนที่เชิงเรเดียน (Radian velocity) อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์ดอปเปลอร์จะเกิดขึ้นต่อเมื่อมีการเคลื่อนที่ในแนวสายตาเท่านั้น (เคลื่อนที่เข้าหาหรืออกจากผู้สังเกตการณ์) แต่ถ้าดาวเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสายตา ก็จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ของเส้นดูดกลืนในแถบสเปกตรัม