之前在《科學(xué)家如何逆天：牛頓的嘆息、冷戰(zhàn)和自適應(yīng)光學(xué)》里，筆者曾經(jīng)為大家介紹過(guò)當(dāng)前光學(xué)紅外天文望遠(yuǎn)鏡里最前沿的觀測(cè)設(shè)備——自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。咱們這次聊一聊幾乎在所有光學(xué)紅外天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡上都有所配備的一個(gè)既有著漫長(zhǎng)歷史，卻仍活力四射的一件觀天利器——光譜儀。
（Credit：astro.lu.se）
撰文 | 馮麓（國(guó)家天文臺(tái)）
編輯 | 韓越揚(yáng)
從彩虹到光譜
光，在我們身邊無(wú)時(shí)不刻不在幫助著我們認(rèn)識(shí)世界。物體的形狀、顏色、表面質(zhì)感這些信息都在物體被光照射下被我們?nèi)搜鬯邮眨晃覀內(nèi)四X所處理，最終得以理解。
牛頓老爺子在他還是個(gè)年輕人的時(shí)候，就想知道這神奇的光是怎么組成的，把日光這白光分解后能夠看到什么？于是乎，牛老爺就設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)（見圖1）。圖1. 牛頓的棱鏡實(shí)驗(yàn)（圖源：biography.com）
他在窗戶邊上立了塊開了個(gè)小洞的木板，只有那些可以穿過(guò)小洞的日光才能照射到與小孔存在一定距離的一塊三棱鏡。在三棱鏡后面立著一塊白布，作為接收屏。當(dāng)日光穿過(guò)小洞，經(jīng)過(guò)三棱鏡后，白色的日光就被分解為彩虹一樣的顏色。這個(gè)實(shí)驗(yàn)一方面證明了白色的日光可以分解為不同顏色的光線，同時(shí)棱鏡這種光學(xué)元件具有將顏色分散開的能力（色散）；另一方面，這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上也開啟了人類在光譜學(xué)方面的研究。而光譜學(xué)正是天文學(xué)家利用來(lái)自天體的光在不同顏色上的特征（光譜），研究天體諸如溫度、質(zhì)量、氣體物質(zhì)成分、運(yùn)動(dòng)速度等一系列性質(zhì)的重要工具。來(lái)自天體的光譜長(zhǎng)什么樣呢？其實(shí)前面牛頓利用棱鏡所得到的就是太陽(yáng)的光譜。來(lái)自太陽(yáng)的光通過(guò)小孔+棱鏡+接收屏，被分成了連續(xù)變化的顏色條帶（連續(xù)譜）。由于這套實(shí)驗(yàn)設(shè)備并不能將這條顏色條帶分得更細(xì)，所以太陽(yáng)光譜里面其他一些很精細(xì)的結(jié)構(gòu)在當(dāng)時(shí)就沒有被牛老爺發(fā)現(xiàn)。通常，發(fā)光、致密的物體會(huì)發(fā)出連續(xù)譜，就比如太陽(yáng)這樣的恒星。而那些具有溫度、稀薄的氣體由于其中電子的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)在特定的顏色，或者說(shuō)特定的波長(zhǎng)上發(fā)光。我們管光譜上出現(xiàn)的這樣的特征叫做發(fā)射線。如果我們的實(shí)驗(yàn)裝置可以在波長(zhǎng)上分的很細(xì)，就可以看到這些發(fā)射線。更有意思的是，當(dāng)那些會(huì)發(fā)出連續(xù)譜的特別亮的天體前面有一團(tuán)稀薄的氣體擋著它們的時(shí)候，由于氣體里面特定物質(zhì)會(huì)吸收某些波長(zhǎng)的光子，就會(huì)造成本來(lái)連續(xù)的光譜中出現(xiàn)間斷。這些黑黑的間斷就叫做吸收線。在圖2中我們就可以看到連續(xù)譜、發(fā)射線、吸收線的樣子和它們各自的來(lái)源。圖2. 物體的不同性質(zhì)和狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的光譜。左上大白點(diǎn)表示一個(gè)熱的、自己會(huì)發(fā)光、致密的天體。它所發(fā)出的是連續(xù)譜（Continuous spectrum）。而有溫度的稀疏氣體則會(huì)發(fā)出發(fā)射線（Bright line spectrum）。當(dāng)我們穿過(guò)氣體看向天體的時(shí)候所看到的光譜則是疊加在連續(xù)譜上的吸收譜（Continuous spectrum with dark lines）。（圖源：faculty.virginia.edu）
光譜儀，從星光攝取光譜的儀器
就像前面提到的，牛老爺盡管看到了太陽(yáng)的連續(xù)譜，但并沒能看到其間的精細(xì)結(jié)構(gòu)。要知道太陽(yáng)也有大氣，連續(xù)譜穿過(guò)大氣必然會(huì)因?yàn)樘?yáng)大氣里面的成分出現(xiàn)吸收譜暗線。那么之所以沒有看到，問(wèn)題主要就出在了牛老爺?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)備少了一個(gè)將入射進(jìn)來(lái)的光線準(zhǔn)直的器件；同時(shí)棱鏡色散的能力，也不夠強(qiáng)。
就在牛頓棱鏡實(shí)驗(yàn)100年后，光譜學(xué)的奠基人夫瑯和費(fèi)改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，成功的發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光光譜中的吸收線。而他所設(shè)計(jì)的裝置就是真正意義上的光譜儀（見圖3）。在這之后到現(xiàn)在的兩百年里，光譜儀的基本結(jié)構(gòu)與這臺(tái)光譜儀并無(wú)太大出入。圖3. 夫瑯和費(fèi)的三臂光譜儀。三條臂一條用于人眼接收（觀測(cè)），一條一端安有狹縫指向觀測(cè)目標(biāo)，第三條臂則用于與已知物質(zhì)的光譜進(jìn)行比較。三條臂中間的棱鏡起到色散的作用。
光譜儀的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。大部分的天文用光譜儀均可以用這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖4. 光譜儀的基本結(jié)構(gòu)。五部分構(gòu)成了一臺(tái)光譜儀：狹縫（slit）、準(zhǔn)直鏡（collimator）、色散元件（grating）、成像鏡頭（camera）、探測(cè)器（detector）。（圖源：home.strw.leidenuniv.nl）
整個(gè)光譜儀由五部分組成。首先是置于望遠(yuǎn)鏡焦平面的將來(lái)自光源的光導(dǎo)入光譜儀的小孔或狹縫。望遠(yuǎn)鏡在成像的時(shí)候成像視場(chǎng)里面總會(huì)有多個(gè)天體，這里之所以要有個(gè)小孔或者狹縫，其主要的目的就是用于限制進(jìn)入到光譜儀的光（這里我們把沒有被故意色散的光都叫白光）均來(lái)自于這些天體中我們感興趣的那一個(gè)（單個(gè)狹縫）或者幾個(gè)天體（多個(gè)狹縫，后面會(huì)講到）。由于小孔開在焦平面，其后光線必然發(fā)散，所以在進(jìn)入色散元件之前需要把發(fā)散的光線變成平行光，這就需要用到準(zhǔn)直鏡這樣的玩意了。準(zhǔn)直以后的白光被送往色散元件，打散成彩虹一般的顏色。為了將光譜有效地投射到那又小又貴的探測(cè)器上，在色散元件和探測(cè)器之間還需布置成像光路。最后，我們就能在探測(cè)器上看到那神奇美麗（看多了也無(wú)聊）來(lái)自天體的光譜了。其實(shí)再?gòu)?fù)雜的儀器，原理說(shuō)起來(lái)都是這么簡(jiǎn)單，但細(xì)節(jié)永遠(yuǎn)讓人抓狂。在這方面，光譜儀絕對(duì)可以稱得上光學(xué)設(shè)備中最復(fù)雜的幾種設(shè)備之一了。我們這里單拿其中的色散元件來(lái)說(shuō)。由于棱鏡這種透射式元件尺寸很難做大，性能和價(jià)格上都難于超過(guò)反射式光學(xué)器件。為了保證光效率，目前天文領(lǐng)域使用的色散元件以反射式衍射光柵為主。這種器件在它一側(cè)的平面上被刻蝕了一條一條斜著的槽。當(dāng)光照射向這些斜槽并被反射的時(shí)候，每一個(gè)斜槽就相當(dāng)于咱們中學(xué)學(xué)到的多縫衍射實(shí)驗(yàn)中的一條縫。反射出去的光就會(huì)發(fā)生衍射。衍射的結(jié)果就是會(huì)出現(xiàn)周期性（不同階）且色散程度不同的彩虹條紋。圖5. 光學(xué)紅外天文光譜儀當(dāng)中最常用的色散元件——反射式衍射光柵。白光照上去就會(huì)出現(xiàn)彩虹圖案。右圖則是它表面的橫截面圖，可以看到很多斜坡。正是這些斜坡使入射光發(fā)生衍射，出現(xiàn)了色散現(xiàn)象。在不同的觀測(cè)角度上，會(huì)有不同階次（order）的光譜（右圖）。這些光譜色散程度不同，會(huì)出現(xiàn)不同波長(zhǎng)光譜之間重疊的現(xiàn)象。
這也就是說(shuō)，在0階光譜對(duì)應(yīng)的角度我們看到的白光還是白光，在1階光譜對(duì)應(yīng)的角度我們假設(shè)想看600到800納米的光，但在這個(gè)角度由于2階光譜色散程度更高，2階光譜的300到400納米的光也會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)角度，與1階光譜600到800納米的光疊加在一起…… 同時(shí)，由于不同光柵表面斜坡的刻蝕密度（線/mm）不同，導(dǎo)致色散程度的不同，斜坡的角度（閃耀角）不同，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)色散最靈敏的波長(zhǎng)（閃耀波長(zhǎng)）也不同。閃耀光柵只在特定一個(gè)角度反射最強(qiáng)，這個(gè)角度對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)，而對(duì)于其他其他角度，偏離這個(gè)角度越多反射也就越暗。因此，如何合理選擇光柵又成了一個(gè)問(wèn)題。更不要提由于光路設(shè)計(jì)，由于棱鏡本身會(huì)產(chǎn)生變形失真，因此光譜是彎曲的，探測(cè)器響應(yīng)又不均勻這一個(gè)又一個(gè)需要量化處理的問(wèn)題……所以對(duì)于一位使用光譜儀進(jìn)行天文觀測(cè)的天文學(xué)家而言，無(wú)論是在使用它之前還是之后，相應(yīng)的工作真的是非常繁瑣。圖6. 一條單縫光譜儀得到的光譜，從左到右對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)3800到5000納米。得到這條光譜的準(zhǔn)備工作和后續(xù)處理工作相比僅是成像而言繁瑣的多。（圖源：agenda.infn.it）
光譜儀家族的活躍分子們
下面我們將為大家介紹目前國(guó)際上使用最普遍的幾種光學(xué)紅外光譜儀。它們的區(qū)別主要就在前面所提到的光譜儀五大部分中的兩個(gè)部分，一個(gè)是進(jìn)光部分，一個(gè)是色散部分。我們首先看進(jìn)光部分。
最傳統(tǒng)的光譜儀就是前面講到的長(zhǎng)縫光譜儀（long slit spectrograph）。這種光譜儀進(jìn)光的部分只有一道長(zhǎng)縫（感興趣的讀者可以參考VLT望遠(yuǎn)鏡的UVES光譜儀）。在觀測(cè)的時(shí)候，天文學(xué)家會(huì)將這道長(zhǎng)縫對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)，長(zhǎng)縫的寬度正好將天體卡住，也就是說(shuō)通常和當(dāng)?shù)氐囊晫幎认喈?dāng)。所有從沿著長(zhǎng)縫方向的天體（也包括天體背后的天空背景）發(fā)過(guò)來(lái)的光均會(huì)被色散到垂直長(zhǎng)縫的方向。但正像圖6中所示，長(zhǎng)縫光譜儀得到的光譜通常是一長(zhǎng)條，僅能用到方形的探測(cè)器的一部分，而且同一時(shí)間也僅能得到狹縫方向上所覆蓋的天體部分的信息。那么有沒有辦法一次可以獲取望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)里面多顆天體或者說(shuō)多個(gè)位置的光譜呢？于是乎，就有了簡(jiǎn)單粗暴的多縫光譜儀，也叫做多狹縫光譜儀（multi-slits spectrograph）。既然一條狹縫會(huì)在沿x方向的天體的光譜向y方向色散，那么我們只要在視場(chǎng)中布置狹縫，讓每條狹縫在x方向不重疊，原則上不就可以觀測(cè)多個(gè)目標(biāo)了？這就是多狹縫光譜儀的大致思路，當(dāng)然這個(gè)xy坐標(biāo)系還可以在視場(chǎng)里面旋轉(zhuǎn)，平移，原則上只要保證天體之間的光譜不重疊，不影響到對(duì)天光背景的測(cè)量，狹縫就可以開得非常密（圖7）。但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)諸如前面提到的像高階光譜重疊到低階光譜上那些繁瑣的問(wèn)題。總而言之，觀測(cè)效率是提高了很多。多縫光譜儀也有個(gè)問(wèn)題，那就是每次觀測(cè)的狹縫板都不一樣，觀測(cè)之前都要把當(dāng)晚觀測(cè)所需要的狹縫板提前刻好。由于狹縫板刻完后就固定了，觀測(cè)計(jì)劃在觀測(cè)中途也就不能再變更。靈活性就不夠高。圖7. 多狹縫光譜儀IMACS（6.5米麥哲倫望遠(yuǎn)鏡）的視場(chǎng)。其中紅色圓圈是用于固定視場(chǎng)的天體，小長(zhǎng)方形則是一道道狹縫。右邊是IMACS8塊。（圖源：Massey，P., Strobel, K., Barnes, J. V., & Anderson, E. 1988, ApJ, 328, 315。）
利用機(jī)器手將光纖的一頭對(duì)到想要觀測(cè)的目標(biāo)上，就是一種提高多狹縫光柵靈活性的解決方案。我們大家所熟知的位于我國(guó)河北興隆觀測(cè)基地的LAMOST其焦面上面就布置了非常多的機(jī)器搖臂，每一個(gè)搖臂上面都接著一根光纖。這樣只要天體進(jìn)入到某一個(gè)搖臂的活動(dòng)范圍之內(nèi)，搖臂就會(huì)帶動(dòng)光纖對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。來(lái)自天體的光進(jìn)入光纖，順著光纖再進(jìn)入后面的準(zhǔn)直器、色散元件，光譜最后再被探測(cè)器所接收。大量的機(jī)器手就可以保證同時(shí)可以對(duì)視場(chǎng)內(nèi)大量的目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)（圖8）。圖8. （左）LAMOST巡天望遠(yuǎn)鏡巨大的焦平面，上面密密麻麻布置的就是一個(gè)個(gè)機(jī)器搖臂。每一個(gè)搖臂上面都抓著一根光纖，通過(guò)在搖臂的擺動(dòng)將光纖一端對(duì)準(zhǔn)天體。（右）Hectospec光纖光譜儀。同樣的每一個(gè)跟針一樣的是一個(gè)機(jī)器手，機(jī)器手會(huì)前后移動(dòng)，每一個(gè)機(jī)器手上面帶著一根光纖，手臂盡頭就是光纖的一端。通過(guò)機(jī)器手前后移動(dòng)在焦平面內(nèi)采取星光。（圖源：xinglong-naoc.org，cfa.harvard.edu）
但光纖光譜儀也存在自己的問(wèn)題，主要就是光纖和光纖之間離得不能像狹縫和狹縫之間這么近，真的要是特別密集的星場(chǎng)，還是有一些局限。同時(shí)，由于長(zhǎng)方形的狹縫在卡到目標(biāo)的同時(shí)也截取了目標(biāo)上下很近區(qū)域內(nèi)的天空背景，這樣在刨除天空背景的時(shí)候，會(huì)更準(zhǔn)確一些。光纖光譜儀則需要在視場(chǎng)內(nèi)選取多點(diǎn)進(jìn)行天光背景的測(cè)量，再建立天光背景模型，才能刨除天空背景的影響。但一涉及到模型，總會(huì)有人覺得不準(zhǔn)，所以目前也算是光纖光譜儀的一個(gè)局限性吧。那么有沒有可能既成像，又得到光譜的方法呢？就像得到一組在連續(xù)變化的波長(zhǎng)下拍攝的照片集？這個(gè)問(wèn)題的答案就是全視場(chǎng)光譜儀，也叫積分視場(chǎng)光譜儀（Integral Field Spectrograph）。可能光譜儀里最讓筆者興奮的就是它了。想一想同時(shí)既能得到圖像又能得到光譜，或者說(shuō)直接得到了一組增加了一個(gè)波長(zhǎng)維度的圖像集，實(shí)在是太刺激了。積分視場(chǎng)光譜儀的實(shí)現(xiàn)形式主要有圖9里面介紹的三種，它們的主要目的都是要將儀器視場(chǎng)分成一小塊一小塊，在分解之后再通到色散元件去進(jìn)行色散。但由于分解方式的不同，光譜在探測(cè)器上的分布也不同，后續(xù)處理出來(lái)的結(jié)果也會(huì)各有千秋。但無(wú)論如何，IFS在未來(lái)絕對(duì)是天文學(xué)家申請(qǐng)的一類熱門儀器。目前Keck望遠(yuǎn)鏡上面的OSIRIS（微透鏡陣列）以及VLT上面的SINFONI（像切分器）就是這類儀器的翹楚。圖9. 三種全視場(chǎng)光譜儀。這三種均是在望遠(yuǎn)鏡焦平面對(duì)視場(chǎng)進(jìn)行切割。第一種采用的是微透鏡陣列（Lenslets），第二種采用微透鏡陣列+光纖，第三種采用像切分器（slicer），第二列顯示的是相應(yīng)的在進(jìn)入光譜儀色散前的輸入的樣子，第三列則是光譜在探測(cè)器上的形式，但無(wú)論中間經(jīng)歷如何，最后都會(huì)給出圖像數(shù)據(jù)立方。（圖源：ifs.wikidot.com）
在色散元件方面，由于閃耀光柵（就是前面提到的反射式衍射光柵）效率高，色散性能好，目前還是最常見的色散元件。當(dāng)然，作為元老，棱鏡也算一個(gè)。但就跟單個(gè)狹縫一樣，單個(gè)閃耀光柵只能將入射光在一個(gè)方向分解，得到例如圖6的圖像，并不能有限地利用整個(gè)方形的探測(cè)器。利用第二個(gè)色散元件在垂直方向上進(jìn)行第二次色散的思路成就了中階梯光柵（Echelle）。中階梯光柵由于色散程度高，光譜當(dāng)中的一些細(xì)節(jié)呈現(xiàn)的就更為明顯，所以在高分辨光譜儀中經(jīng)常會(huì)見到。比如說(shuō)像凱克望遠(yuǎn)鏡的HIRES，VLT望遠(yuǎn)鏡的UVES就是這類光柵應(yīng)用中很成功的典范。還有一種在天文愛好者里面都有應(yīng)用的色散元件——棱柵（grism）。也就是在棱鏡的后面刻蝕出閃耀光柵，將二者合二為一的一種色散元件，多出現(xiàn)在兼具成像和光譜兩種功能的成像光譜儀中。其中真正起到色散作用的是背后閃耀光柵的部分，而棱鏡則負(fù)責(zé)調(diào)整光線入射到閃耀光柵的角度，這樣成像光路和光譜儀光路就可以共用，只要將棱柵推入拉出光路就可以實(shí)現(xiàn)成像和光譜的兩重功能，非常靈活。有的棱柵設(shè)計(jì)的甚至可以直接放在濾光片輪轉(zhuǎn)盤里就可以得到光譜，很小巧價(jià)格也實(shí)惠，所以在天文愛好者中用的很多。由于這種直接使用棱柵取光譜的光路里不需要狹縫，所以也叫無(wú)縫光譜儀。篇幅有限，咱們這篇小文就先介紹到這里。實(shí)際上光譜儀是天文學(xué)家了解宇宙最重要的工具之一，因?yàn)樗芙o我們提供簡(jiǎn)單的測(cè)光無(wú)法得到的信息，比如天體的運(yùn)動(dòng)、化學(xué)元素成分等等，所以天文學(xué)家對(duì)光譜儀的需求會(huì)經(jīng)久不衰。
