สเปกตรัมของดาวฤกษ์.

งานนำเสนอเรื่อง: "สเปกตรัมของดาวฤกษ์."— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 สเปกตรัมของดาวฤกษ์

2 บทนำ สเปกโตรสโคปีเป็นแขนงของวิทยาศาสตร์ที่ทำการศึกษาและวัดสเปกตรัมของแสงที่เปล่งออกมาเมื่อสสารมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในดาราศาสตร์ สเปกโตรสโคปีเป็นเครื่องที่มีความสำคัญมาก เนื่องจากว่ากล้องโทรทรรศน์สามารถวัดสเปกตรัมของวัตถุที่ห่างไกลออกไปได้โดยง่าย เช่น ดาวฤกษ์และกาแล็กซี กิจกรรมต่อไปนี้ จะมุ่งเน้นไปที่สเปกโตรสโคปีของดาวฤกษ์ (สเปกตรัมของดาวฤกษ์) และการใช้สเปกตรัมเหล่านี้ในการจำแนกประเภทของดาวฤกษ์

3 บทนำ เราสามารถวัดสเปกตรัมของวัตถุที่มีความสว่างได้โดยการติดเครื่องมือที่เรียกว่าสเปกโตรกราฟเข้ากับกล้องโทรทรรศน์ ภายในสเปกโตรกราฟ แสงจะผ่านปริซึมและกระจกที่จะแยกแสงออกเป็นองค์ประกอบของความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน (เรียกว่าสเปกตรัม) ความเข้มของความยาวคลื่นที่แตกต่างกันนี้จะถูกวัดเพื่อไปสร้างเป็นสเปกตรัม สเปกตรัมนี้สามารถนำไปศึกษาอย่างละเอียดเพื่อบอกข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุนั้นๆ ได้ รุ้งกินน้ำก็คือสเปกตรัมของดวงอาทิตย์นั่นเอง กล้องโทรทรรศน์ Liverpool Telescope (LT) มีเครื่องสเปกโตรกราฟอยู่ – FRODOspec (Fibre fed Robotic Dual-beam Optical Spectrograph) และกิจกรรมต่อไปนี้ได้ใช้ข้อมูลจริงที่บันทึกเอาไว้โดย LT ผ่าน FRODOspec.

4 ภาพแสดงภายในของ FRODOspec ระหว่างขั้นตอนการติดตั้ง
แสงที่ความยาวคลื่นมากกว่า ถูกส่งไปยังส่วน ‘red arm’. แสงที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า ถูกส่งไปยังส่วน ‘blue arm’. แสงจากแต่ละส่วนจะถูกแยกออกเมื่อผ่านปริซึม และกล้อง CCD จะคอยบันทึกสเปกตรัมที่เกิดขึ้น ภาพแสดงภายในของ FRODOspec ระหว่างขั้นตอนการติดตั้ง

5 FRODOspec ภาพทางด้านขวาแสดงสเปกตรัมดิบที่ได้จากดาว BD-02-5059.
เส้นแนวตั้งแต่ละเส้นจะมีการซ้ำกัน (ลำดับ) ของสเปกตรัมเดิม บริเวณวงกลมสีแดง จะเส้นลักษณะคล้ายเส้น พาดผ่านลำดับต่างๆ ในกิจกรรมนี้ นักเรียนจะได้ข้อมูลสเปกตรัมแบบสองมิติ (ความยาวคลื่นเทียบกับความเข้ม) ที่ได้มาจากข้อมูลดิบแล้ว

6 ประเภทของสเปกตรัม โดยทั่วไปแล้ว จะมีเส้นสเปกตรัมสองแบบที่สามารถจำแนกได้โดยง่าย นั่นคือสเปกตรัมเปล่งแสง และสเปกตรัมดูดกลืนแสง ตัวอย่างของสเปกตรัมเปล่งแสง: ตัวอย่างของสเปกตรัมดูดกลืนแสง:

7 สเปกตรัมเปล่งแสง สเปกตรัมเปล่งแสงเกิดขึ้นเมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถือกำเนิดขึ้นมาจากกลุ่มก้อนแก๊สที่มีอุณหภูมิสูง (เมื่อเทียบกับบริเวณรอบข้าง) จากอุณหภูมิที่สูงในก้อนแก๊ส อะตอมภายในจะมีพลังงานเป็นจำนวนมาก และอิเล็คตรอนจะอยู่ในสถานะที่ถูกกระตุ้นรอบๆ นิวเคลียส อิเล็คตรอนเหล่านี้จะสูญเสียพลังงานและตกลงมาในสถานที่พลังงานต่ำกว่า และพลังงานที่สูญเสียไปจะถูกเปลี่ยนไปเป็นโฟตอนที่ความยาวคลื่นค่าหนึ่ง กระบวนการเหล่านี้ ทำให้เกิดแถบสว่างขึ้นบนสเปกตรัม - เส้นสเปกตรัมเปล่งแสง

8 สเปกตรัมดูดกลืนแสง สเปกตรัมดูดกลืนแสงเกิดขึ้นเวลาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากดาวเบื้องหลังผ่านก้อนแก๊สที่เย็นกว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความยาวคลื่นเฉพาะค่าหนึ่ง ถูกดูดกลืนโดยอะตอมในแก๊สเย็น ทำให้อิเล็คตรอนได้รับพลังงานและเลื่อนขึ้นไปอยู่ในสภาวะกระตุ้น อิเล็คตรอนเหล่านี้ สูญเสียพลังงานและปล่อยโฟตอนกลับมาในความยาวคลื่นเดิม อย่างไรก็ตาม ทิศทางของแสงที่ปล่อยออกมาเกิดขึ้นแบบสุ่ม และนี่ทำให้ปรากฎมาเป็นแถบมืด (หรือแสงที่หายไป) ในสเปกตรัม สอดคล้องกับความยาวคลื่นที่ถูกดูดกลืนไปโดยแก๊ส เส้นเหล่านี้เรียกว่า เส้นสเปกตรัมดูดกลืนแสง นักดาราศาสตร์ใช้เส้นสเปกตรัมดูดกลืนแสงในการศึกษาดาวฤกษ์อยู่เสมอ

9 สเปกตรัมดูดกลืนแสง การศึกษาเส้นสเปกตรัมดูดกลืนแสงอย่างละเอียด ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถเรียนรู้อะไรได้หลายอย่างเกี่ยวกับดาวฤกษ์ เช่น อุณหภูมิ ความเร็วในการหมุน ความเร็วในแนวสายตา (การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เข้าหาหรือออกห่างจากผู้สังเกต) ความหนาแน่น องค์ประกอบทางเคมี ความเป็นโลหะ (ดาวฤกษ์มีธาตุหนักอยู่มากน้อยเพียงใด) ภาพกระจุกดาวลูกไก่ นักดาราศาสตร์บางคนเปรียบเทียบเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ใกล้เคียงกับการตรวจสอบ DNA เพื่อบ่งชี้ว่าแสงที่เห็นนี้มาจากดาวฤกษ์ประเภทใด

10 เส้นสเปกตรัมเปล่งแสงของธาตุต่างๆ
องค์ประกอบทางเคมี ธาตุแต่ละธาตุและโมเลกุลจะดูดกลืนและเปล่งแสงที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันออกไป เราสามารถศึกษาจากสเปกตรัมได้ว่าธาตุใดทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่นหนึ่งๆ ดังนั้น ทำให้เราสามารถศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของวัตถุที่กำลังศึกษาได้ การวิเคราะห์สเปกตรัมของดวงอาทิตย์ ทำให้เราค้นพบธาตุฮีเลียม ก่อนที่เราจะพบธาตุนี้บนโลกเสียอีก! เส้นสเปกตรัมเปล่งแสงของธาตุต่างๆ

11 การเปล่งรังสีของวัตถุดำ
ก่อนที่จะไปศึกษาสเปกตรัมของจริง เราจำเป็นจะต้องพูดกันถึงการเปล่งรังสีของวัตถุดำเสียก่อน ดาวฤกษ์ทุกดวงประกอบขึ้นจากใจกลางที่ร้อน และเปลือกชั้นนอกหรือชั้นบรรยากาศที่เย็นกว่า ใจกลางของดาวฤกษ์ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมต่อเนื่อง เรียกว่าสเปกตรัมของ วัตถุดำ ถ้าไม่มีเส้นดูดกลืนหรือเปล่งแสงจากชั้นบรรยากาศรอบนอก สเปกตรัมของดาวฤกษ์จะมีลักษณะใกล้เคียงกับสเปกตรัมของวัตถุดำบริสุทธิ์ สเปกตรัมของวัตถุดำ (ดูสไลด์ถัดไป) จะแสดงถึงการกระจายความเข้มข้นของการแผ่รังสีที่เปล่องออกมาในทุกความยาวคลื่น โลหะที่เปล่งแสงสีแดงในเตาเผาเป็นตัวอย่างหนึ่งของการเปล่งรังสีของวัตถุดำ รูปร่างของสเปกตรัมวัตถุดำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุ

12 การเปล่งรังสีของวัตถุดำ
วัตถุที่อุณหภูมิอุ่นกว่า จะมีสเปกตรัมที่มียอดอยู่ในความยาวคลื่นที่สั้นกว่า ในขณะที่วัตถุที่เย็นกว่าจะมีสเปกตรัมวัตถุดำที่มียอดอยู่ในช่วงที่ความยาวคลื่นยาวกว่า

13 การเปล่งรังสีของวัตถุดำ
ในความเป็นจริงแล้ว สเปกตรัมที่วัดได้นั้นไม่เคยเป็นสเปกตรัมวัตถุดำที่ราบเรียบเลย เนื่องจากสเปกตรัมดูดกลืนและเปล่งแสง ส่วนที่สเปกตรัมตกลงไป (ลดต่ำลงกว่าสเปกตรัมวัตถุดำ) แสดงถึงเส้นสเปกตรัมการดูดกลืนแสง ส่วนที่สเปกตรัมสูงขึ้นมา (สูงกว่าสเปกตรัมวัตถุดำ) แสดงถึงเส้นสเปกตรัมการเปล่งแสง ตัวอย่างเส้นสเปกตรัมแสดงแถบการดูดกลืนและเปล่งแสง (Sloan Digital Sky Survey).

14 กฎของวีน ในการจำแนกประเภทดาวฤกษ์ นักดาราศาสตร์จำเป็นที่จะต้องทราบอุณหภูมิของดาวฤกษ์นั้น ดาวฤกษ์มีอุณหภูมิตั้งแต่ 2000K ไปจนถึง 40,000K. กฎของวีนทำให้เราสามารถคำนวณอุณหภูมิพื้นผิวได้ ถ้าเรารู้ว่ายอดของสเปกตรัมวัตถุดำนั้นอยู่ที่ความยาวคลื่นใด เมื่อ W คือค่าคงที่ของวีน = 2.898×10−3 m·K. ตัวอย่าง: สเปกตรัมวัตถุดำของดวงอาทิตย์ของเรานั้น มีค่าสูงสุดที่ความยาวคลื่นประมาณ 500 x 10-9 m, ทำให้ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 5800K.

15 ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ ปรากฏการณ์ที่สำคัยปรากฏการณ์หนึ่ง คือ ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ เกิดขึ้นจากการเลื่อนความยาวคลื่นและความถึ่ของคลื่นเนื่องจากการเคลื่อนที่ระหว่างแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้สังเกต ตัวอย่างเช่น เราพบปรากฏการณ์ดอพเพลอร์เมื่อรถพยาบาลขับผ่านเราโดยที่เปิดหวอเอาไว้: เมื่อรถพยาบาล (แหล่งกำเนิด) เข้ามาหาเรา (ผู้สังเกต) คลื่นเสียงจะถูกบีบอัด (ให้เข้าใกล้หากัน) และเสียงที่เกิดขึ้นจะมีความถี่สูงขึ้น (ความยาวคลื่นสั้นลง) แต่เมื่อรถพยาบาลผ่านไปแล้ว คลื่นจะถูกเหยียดออกและความถี่จะลดลง (ความยาวคลื่นยาวขึ้น) ความยาวคลื่นสั้นลง ความยาวคลื่นยาวขึ้น

16 ปรากฏการณ์ดอพเพลอร์ ปรากฏการณ์เดียวกันนี้เกิดขึ้นกับแสงเช่นเดียวกัน เมื่อดาวฤกษ์ (แหล่งกำเนิด) กำลังเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกห่างจากผู้สังเกตบนโลก เราสามารถตรวจพบการเคลื่อนที่เช่นนี้ได้ผ่านทางเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ ถ้าหากว่าดาวฤกษ์กำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก คลื่นแสงจะถูกยืดออกและสเปกตรัมทั้งสเปกตรัมจะถูกเลื่อนไปทางแถบสีแดงของสเปกตรัม - เรียกว่าการเลื่อนทางแดง ถ้าดาวฤกษ์กำลังเคลื่อนที่เข้าหาโลก คลื่นแสงจะถูกบีบเข้าหากัน และสเปกตรัมทั้งสเปกตรัมจะเลื่อนไปทางสีน้ำเงิน - เรียกว่าการเลื่อนทางน้ำเงิน ความยาวคลื่นสั้นลง ความยาวคลื่นยาวขึ้น

17 เส้นสเปกตรัม ถ้าหากว่าไม่มีปัจจัยอื่นจากภายนอก แถบสเปกตรัมดูดกลืนของดาวฤกษ์จะปรากฏเป็นเส้นบางๆ ที่ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกับพลังงานที่ถ่ายโอนให้กับอะตอมเมื่ออิเล็คตรอนได้ถูกกระตุ้นให้อยู่ในระดับพลังงานที่สูงขึ้น แต่ในความเป็นจริงแล้ว มีปัจจัยอื่นอีกมากที่ทำให้เส้นสเปกตรัมเหล่านี้ขยายออก ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น ในกระบวนการที่เรียกว่า การแผ่ออกของเส้นสเปกตรัม (spectral line broadening).

18 Spectral Line Broadening
ภาพด้านล่างสามภาพเป็นเส้นสเปกตรัมดูดกลืนที่เกิดขึ้นจากธาตุไฮโดนเจนในลักษณะเดียวกัน ที่เกิดขึ้นบนดาวฤกษ์ที่ต่างกันสามดวง Spectral broadening สามารถเกิดขึ้นได้จากปัจจัยหลายอย่าง เช่น อุณหภูมิ (Doppler Broadening) การหมุนของดาวฤกษ์ ความดัน

19 Doppler (Thermal)Broadening
ปรากฎการณ์ Doppler broadening ของเส้นสเปกตรัมเป็นปัจจัยหลักในสเปกตรัมของดาวฤกษ์ อะตอมในแก๊สมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วและทิศทางที่แตกต่างกัน การเคลื่อนที่เหล่านี้ อาจทำให้แสงเกิดปรากฏการณ์ดอพเพลอร์เมื่ออะตอมปล่อยโฟตอนออกมา และเนื่องจากบางอะตอมอาจจะเคลื่อนที่ออกห่างจากผู้สังเกต ในขณะที่บางอะตอมเคลื่อนที่เข้าหา ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นก็คือ เส้นสเปกตรัมจะมีทั้งส่วนที่เลื่อนทางแดงและเลื่อนทางน้ำเงินในระดับที่แตกต่างกัน ในแก๊สร้อน อะตอมมีพลังงานมากกว่า จึงเคลื่อนที่ไปมาได้เร็วกว่าในแก๊สเย็น ดังนั้น Doppler broadening จึงสำคัญกว่าในดาวฤกษ์ที่ร้อน ดาวฤกษ์ร้อน ดาวฤกษ์เย็น

20 ความเร็วในการหมุน ดาวฤกษ์ไม่ได้เป็นเพียงวัตถุที่อยู่นิ่งดังที่เราเห็นในยามค่ำคืน ดาวฤกษ์ประกอบขึ้นจากมวลของไกลแก๊สและพลาสม่า (แก๊สร้อน) ที่หมุนไปรอบๆ แกน ดวงอาทิตย์หมุนหนึ่งครั้ง ทุกๆ 24.5 วัน อย่างไรก็ตาม เวลาที่เราได้สเปกตรัมของดาวฤกษ์ที่ห่างไกลออกไป เราไม่ได้แสงที่มาจากเพียงจุดเดียว แต่ได้แสงที่มาจากดาวฤกษ์ทั้งดวง

21 ความเร็วในการหมุน นี่หมายความว่า บางส่วนของดาวฤกษ์นั้นกำลังหมุนเข้ามาหาเรา และบางส่วนกำลังหมุนห่างออกไป ส่วนที่กำลังหมุนเข้ามาหาผู้สังเกตจะมีการเลื่อนทางน้ำเงิน ส่วนที่กำลังหมุนห่างออกไปจากผู้สังเกตจะมีการเลื่อนทางแดง ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือ สเปกตรัมของดาวฤกษ์จะปรากฎเหมือนยืดออก หรือแผ่ออกตามการหมุน

22 การจำแนกประเภทของดาวฤกษ์
เราสามารถใช้สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของดาวฤกษ์แต่ละดวงในการจำแนกพวกมันออกเป็นกลุ่มต่างๆ นักดาราศาสตร์จำแนกดาวฤกษ์ตามอุณหภูมิ ในกลุ่ม “OBAFGKM” โดยที่กลุ่ม O เป็นกลุ่มดาวที่ร้อนที่สุด และกลุ่ม M เป็นกลุ่มดาวที่เย็นที่สุด สังเกตว่ามีความสัมพันธ์ระหว่างมวลและอุณหภูมิของดาวอย่างเห็นได้ชัด

23 การจำแนกประเภทของดาวฤกษ์
กลุ่มเหล่านี้สามารถแบ่งแยกย่อยต่อไปอีกจากตัวเลข 0 ถึง 9 โดยที่ 0 จะร้อนที่สุด; เช่น B1 จะร้อนกว่า B3, และ F2 จะร้อนกว่า F9. ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิพื้นผิว 5800K จัดว่าอยู่ในดาวฤกษ์ประเภท G2

24 สเปกตรัมทั้ง 9 นี้ประกอบไปด้วยดาวฤกษ์หลายประเภท
กิจกรรม หลังจากที่เราได้รู้จักสเปกตรัมดาวฤกษ์มากขึ้นแล้ว ถัดไปเราจะได้มีโอกาสลองดูเส้นสเปกตรัมของจริงที่ได้จากกล้อง Liverpool Telescope! นักเรียนจะได้รับไฟล์ Excel ที่มีสเปกตรัม 2-D สำหรับดาวฤกษ์ 9 ดวง แต่ละดวงอยู่ในแท๊ปหรือหน้าของตัวเองในเวิร์คชีท นักเรียนจะต้องทำการพล๊อตสเปกตรัมของดาวแต่ละดวง พล๊อตจำนวน counts เทียบกับความยาวคลื่นสำหรับดาวฤกษ์แต่ละดวง นักเรียนควรจะได้สเปกตรัมใกล้เคียงกับสเปกตรัมด้านล่าง (อย่าลืมระบุแกนทั้งสองแกนด้วย) รูปร่างของสเปกตรัมจะเปลี่ยนแปลงตามประเภทของดาวฤกษ์ ความเข้มแสง สเปกตรัมทั้ง 9 นี้ประกอบไปด้วยดาวฤกษ์หลายประเภท ความยาวคลื่น (Angstroms)

25 อย่าลืมบันทึกการสังเกตการณ์
กิจกรรม เมื่อนักเรียนได้พล๊อตสเปกตรัมทั้ง 9 แล้ว ให้นักเรียนลองเปรียบเทียบกันเพื่อดูว่าดาวฤกษ์แต่ละประเภทแตกต่างกันอย่างไร ลองสังเกตความกว้างและความลึกของเส้นสเปกตรัมแต่ละส่วน เส้นไฮโดรเจนที่ 6563 angstroms (1 Angstrom คือ 10-10m) เป็นเส้นสเปกตรัมดูดกลืนแสงที่ดีที่จะเอาไปศึกษาความแตกต่างได้ ดาวฤกษ์ที่ร้อนกว่า จะมีเส้นสเปกตรัมดูดกลืนที่กว้างกว่า สืบเนื่องมาจาก Doppler broadening. ดาวฤกษ์ที่เย็นกว่า มักจะมีเส้นสเปกตรัมที่ยุ่งเหยิงกว่าดาวที่ร้อน เส้นสเปกตรัมบางเส้นอาจจะโผล่มาให้เห็นในดาวฤกษ์บางประเภท แต่ไม่สามารถเห็นได้ในประเภทอื่นๆ ความเข้มแสง อย่าลืมบันทึกการสังเกตการณ์ ความยาวคลื่น (Angstroms)

26 กิจกรรม เมื่อเราได้ดูสเปกตรัมทั้ง 9 ของดาวฤกษ์ที่รู้จักแล้ว ได้เวลาที่เราจะนำความรู้นี้ไปจำแนกประเภทของดาวฤกษ์ที่ไม่รู้จัก นักเรียนจะได้ไฟล์ Excel อีกไฟล์ที่มีสเปกตรัมของดาวฤกษ์สองดวงที่นักเรียนจะต้องทำการจำแนก ลองใช้ข้อมูลที่ให้มาในการนำเสนอนี้ และเปรียบเทียบกับสเปกตรัมที่ได้พล๊อตแล้ว ลองจำแนกประเภทของดาวฤกษ์ปริศนาดู Good luck!