《談天說文》CSI星空現場

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「CSI 犯罪現場」是美國非常受歡迎的電視影集，內容描述一群刑事鑑識科學家的故事，由於收視率太好了，衍生的「CSI 犯罪現場：邁阿密」和「CSI 犯罪現場：紐約」也陸續上映。
　(圖一)
影集當中常見的DNA鑑定，是最流行、最酷的鑑識手法，些微的毛髮、皮屑就可以採集到DNA，進而知道當事人的身分。另外一項就是指紋（如圖一）的採集與鑑定。DNA和指紋作為刑事採集的對象，主要原因是它的獨特性，每個人都有專屬的DNA和指紋，可作為身分的認證標章。但這類的認證標章必須採集到實物，從當事人遺留下來的痕跡中取得，如果當事人是遠在數光年，甚至數十億光年之遙，我們又該如何鑑定它的身分？

星星就是這類遙不可及的鑑定對象，但天文學家知道，星星的DNA或指紋就在一閃一閃的星光裡頭。天文學家觀測星星，不僅取得星光亮度的強弱，還要知道星光的特徵，這個特徵就是星星的光譜。牛頓利用三稜鏡得知白光是由各種不同顏色的色光所組成，或者說是由各種不同波長的色光所組成，通過三稜鏡之後的白光，會像彩虹般，依照波長的長短一一排列，紅橙黃綠藍靛紫，紅光波長最長，紫光最短（如圖二）。天文學家用更精密的光柵，將波長分的更細，然後記錄每個波長的強度，這就是光譜。
    (圖二)            
光譜依照長相的特徵可分成三類，連續光譜、發射光譜和吸收光譜（如圖三），連續光譜就像彩虹一樣，這是和發光物體的溫度高低有關，溫度愈高，波長較短的藍光愈強，所以逐漸加熱鐵塊，熾熱鐵塊的顏色會從紅色逐漸偏向藍白色。
  (圖三)

發射光譜則是在光譜中出現特別亮的線條（發射譜線），表示在該波長的強度特別強，吸收光譜則是出現特別暗的線條（吸收譜線），表示該波長的強度很弱，可能被其他物質吸收掉。

由於不同的物質會產生不同波長的發射譜線或吸收譜線，這些譜線就像是物質的指紋，只要天文學家在星光中辨識出譜線，就可以認定遠在天邊的星星含有那些物質，鑑定出星星的身分。
(圖四)
例如圖四，上方的橫長條光譜是太陽的光譜，我們可以在彩虹般的連續光譜中發現數條黑色條紋的吸收光譜線，下方是氫原子的光譜線，這個光譜是在實驗室內，加熱氫原子後所得到的光譜，裡頭可以發現數條比較亮的發射光譜線。將太陽光譜和氫原子光譜相比較，可以找到一些位置相符合的譜線，表示在太陽表面有氫原子存在。

為什麼太陽的氫原子光譜是吸收光譜？而實驗室得到的卻是氫原子發射光譜？這當中又透露出哪些玄機？之前提到，火熱的太陽本身會發出連續的光譜，如果在太陽周圍有一層較冷的氫原子，氫原子可以吸收特定的光譜線，使得太陽光譜出現了吸收譜線，這表明了了氫原子存在的位置。星光的光譜除了可作成分的認定，還可以從連續光譜得知溫度，從譜線位置的遷移得到星星移動的速度。十九世紀法國社會學家孔德（Auguste Comte)曾大膽認定：人類絕對不可能瞭解恆星的化學成分，如果他看過CSI犯罪現場以及光譜學，就不敢說此大話。