طیف‌سنجی چیست و چرا از اهمیت بالایی در علم نجوم برخوردار است؟

در واقع، جیمز وب امروز در خط مقدم بزرگ‌ترین پرسش بشر قرار دارد: آیا در جای دیگری از کیهان، حیات هست؟

وقتی منبع نور از ما دور می‌شود، طول‌موج‌های نور آن کشیده‌تر می‌شوند و نور به سمت قرمز متمایل می‌شود. به این پدیده «انتقال به سرخ» (Redshift) می‌گویند. اما بدون طیف‌سنجی، این پدیده معنای چندانی نداشت: کهکشان‌های دوردست ممکن بود صرفاً قرمز به نظر برسند، بی‌آنکه بدانیم واقعاً در حال دور شدن هستند یا خیر.

طیف‌سنجی معما را حل کرد. هر عنصر، مجموعه‌ی خاصی از خطوط دارد و اگر همه‌ی آن خطوط با نسبت‌های ثابت به طول‌موج‌های بلندتر منتقل شده باشند، یعنی منبع نور از ما دور می‌شود. مقدار این جابه‌جایی، شتاب حرکت را نشان می‌دهد. با همین اندازه‌گیری‌ها اخترشناسان توانستند نقشه‌ی انبساط کیهان را ترسیم و حتی فاصله‌ی کهکشان‌ها را برآورد کنند.

جالب‌تر اینکه، بعدها همین روش برای کشف نخستین سیاره‌های فراخورشیدی به کار رفت: وقتی حرکت رفت‌وبرگشتی یک ستاره زیر اثر گرانش سیاره‌اش، خطوط طیفی‌اش را اندکی جابه‌جا می‌کرد.

اگر گمان می‌کنید طیف‌سنجی فقط مخصوص فضاست، شاید نیاز به کمی تجدیدنظر داشته باشید. از قرن نوزدهم، شیمیدانان هم از این روش برای شناسایی ترکیبات ناشناخته استفاده می‌کنند. کافی است نمونه‌ای را گرم کنند و سپس، نور منتشرشده را تجزیه کنند. هر عنصر، خطوط خاص خود را دارد؛ حتی ردی از عناصر بسیار کمیاب نیز در طیف شناسایی‌پذیر است.

طیف‌سنجی در آزمایشگاه‌های امروزی، یکی از دقیق‌ترین ابزارها برای تحلیل مواد شیمیایی است. اما هیچ حوزه‌ای به اندازه‌ی اخترشناسی از این علم بهره نبرده است، زیرا اگر این روش وجود نداشت، عملاً دید ما به کیهان کور بود.

راز خطوط طیفی بیش از صد سال ناشناخته ماند، تا زمانی که فیزیک کوانتوم به این معما پاسخ داد. طبق نظریه‌ی کوانتومی، الکترون‌ها نمی‌توانند با هر انرژی دلخواهی به دور هسته بچرخند. آن‌ها فقط در مدارهایی خاص با انرژی‌های مشخص قرار می‌گیرند.

برعکس، وقتی نوری به اتم می‌تابد، اگر فوتون انرژی دقیقی داشته باشد که برابر اختلاف دو مدار باشد، جذب می‌شود و الکترون به مدار بالاتر می‌پرد. اگر انرژی‌اش زیاد یا کم باشد، جذب نمی‌شود و از اتم عبور می‌کند. اینجاست که خطوط جذبی پدید می‌آیند؛ ردی از نوری که بلعیده شده است.

اما ماجرا این‌قدر ساده هم نیست. مولکول‌ها نسبت به اتم‌ها مدارهای انرژی پیچیده‌تری دارند و عواملی مثل میدان‌های مغناطیسی می‌توانند این مدارها را کمی جابه‌جا کنند. نتیجه؟ خطوط طیفی می‌توانند بسته به شرایط تغییر شکل دهند. با‌این‌حال، همین تغییرات نیز اطلاعات بیشتری به دانشمندان ارائه می‌دهند؛ از قدرت میدان مغناطیسی تا دمای محیط و حتی چگالی گازها.

در نهایت، طیف‌سنجی فقط روشی برای اندازه‌گیری نور نیست؛ زبانی است که جهان با آن با ما حرف می‌زند. از نخستین خطوط زرد هلیوم روی خورشید گرفته تا رد ضعیف متان در جو یک سیاره‌ی دور، هر نور حامل داستانی خاص است. طیف‌سنجی هنر شنیدن همین داستان‌هاست؛ هنری که شاید بیش از هر ابزار دیگر، ما را به درکی عمیق‌تر از کیهان نزدیک کرده است.