دانشمندان با تحلیل اثر انگشت نوری ستارگان و سیاره‌ها، ترکیبات شیمیایی آن‌ها را شناسایی می‌کنند و رازهای کیهان را می‌کاوند. این روش قدرتمند، طیف‌سنجی نام دارد و یکی از بنیادی‌ترین ابزارهای علم نجوم محسوب می‌شود، اما طیف‌سنجی دقیقا چگونه کار می‌کند و چه اطلاعاتی در اختیار ما می‌گذارد؟
در قرن هفدهم، آیزاک نیوتن (Isaac Newton) با یک منشور شیشه‌ای نور سفید را به طیف رنگین‌کمان تقسیم کرد و نشان داد نور ترکیبی از طول‌موج‌های متفاوت است؛ از قرمز با بلندترین طول‌موج تا بنفش با کوتاه‌ترین، اما طیف نور یکسان نیست و در برخی طول‌موج‌ها خطوط تیره یا روشن دیده می‌شود. این خطوط، پیام‌هایی از اتم‌ها هستند. هر عنصر، مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از خطوط طیفی دارد؛ درست مانند اثر انگشت انسان.
در اوایل قرن نوزدهم، با اختراع ابزارهایی مانند شبکه‌های پراش (Diffraction Grating)، دانشمندان توانستند این خطوط را با دقت بالا مشاهده کنند. خطوط تیره که خطوط فراون‌هوفر (Fraunhofer Lines) نامیده می‌شوند، نشان‌دهنده جذب نور توسط اتم‌ها در طول‌موج‌های خاص است. همین خطوط باعث شد اخترشناسان بتوانند ترکیب شیمیایی ستارگان و سیاره‌ها را بدون نمونه‌برداری فیزیکی شناسایی کنند.
در سال ۱۸۶۸، اخترشناسان در طول خورشیدگرفتگی در هند، خط زردی در طیف خورشید مشاهده کردند که متعلق به عنصر ناشناخته‌ای بود. این عنصر بعدها هلیوم (Helium) نام گرفت و پیش از آن هیچ‌کس آن را روی زمین ندیده بود. این کشف نشان داد طیف‌سنجی ابزار قدرتمندی است که می‌تواند عناصر و ترکیباتی را آشکار کند که با هیچ روش دیگری قابل دسترسی نیستند.
کاربرد طیف‌سنجی در مطالعه ستارگان و سیاره‌ها
با توسعه تلسکوپ‌ها، اخترشناسان توانستند نور ستارگان دور را تجزیه و تحلیل کنند. نتایج نشان داد اکثر ستارگان از هیدروژن (Hydrogen) و هلیوم ساخته شده‌اند، اما تفاوت‌های جزئی در عناصر دیگر سرنخ‌هایی درباره سن و محل تولد آن‌ها ارائه می‌کند.
هنگامی که نور ستاره از میان جو سیاره‌ها یا ابرهای گازی عبور می‌کند، خطوط طیفی می‌توانند حضور عناصر و مولکول‌هایی مانند آهن (Iron)، آب (H₂O)، متان (CH₄) و دی‌اکسیدکربن (CO₂) را نشان دهند.
تلسکوپ فضایی جیمز وب در محدوده فروسرخ کار می‌کند و توانایی تشخیص خطوط طیفی ضعیف را دارد. هنگام گذر یک سیاره از برابر ستاره‌اش، نور فیلترشده از جو آن جمع‌آوری می‌شود تا مولکول‌های موجود شناسایی شوند. این روش به دانشمندان کمک می‌کند نشانه‌های حیات را در سیاره‌های فراخورشیدی شناسایی کنند.
اثر دوپلر و سرعت کهکشان‌ها
طیف‌سنجی همچنین امکان اندازه‌گیری جابه‌جایی خطوط طیفی را فراهم می‌کند. اگر منبع نور از ما دور شود، خطوط به طول‌موج‌های بلندتر منتقل می‌شوند (انتقال به سرخ یا Redshift). با اندازه‌گیری این جابه‌جایی، اخترشناسان می‌توانند سرعت حرکت ستارگان و کهکشان‌ها و حتی نقشه انبساط کیهان را محاسبه کنند. همین روش برای کشف نخستین سیاره‌های فراخورشیدی نیز استفاده شد: تغییرات جزئی در خطوط طیفی ستاره نشان‌دهنده وجود سیاره‌ای است که گرانش آن ستاره را به عقب و جلو می‌برد.
طیف‌سنجی فراتر از نجوم
روش طیف‌سنجی تنها به نجوم محدود نمی‌شود. از قرن نوزدهم، شیمیدانان نیز از آن برای شناسایی ترکیبات ناشناخته استفاده می‌کنند. هر عنصر خطوط طیفی منحصر به فرد خود را دارد و حتی عناصر کمیاب نیز قابل شناسایی هستند. طبق نظریه فیزیک کوانتوم، الکترون‌ها تنها در مدارهای انرژی مشخصی می‌توانند حرکت کنند. وقتی اتم انرژی جذب می‌کند، الکترون به مدار بالاتر می‌رود و هنگام بازگشت، انرژی اضافی را به شکل فوتون با طول‌موج مشخص آزاد می‌کند. این خطوط نشری (Emission Lines) و خطوط جذبی (Absorption Lines) اطلاعات دقیقی درباره عناصر، دما، چگالی گاز و میدان مغناطیسی محیط ارائه می‌دهند.
طیف‌سنجی زبانی است که جهان از طریق نور با ما سخن می‌گوید. از کشف هلیوم در خورشید گرفته تا شناسایی مولکول‌های پیچیده در سیاره‌های فراخورشیدی، این روش اساسی‌ترین ابزار اخترشناسان برای درک ترکیب و خواص اجرام آسمانی و حتی جست‌وجوی حیات در کیهان است.