Som skärvor med krossat glas som fångats i en strålkastare verkar stjärnorna bedrägligt passiva på natthimlen. Stjärna yttemperaturer kan nå 50 000 grader - över tio gånger varmare än vår sol - och på några få kan den nå över en miljon grader! Värmen i en stjärna når ännu högre nivåer som vanligtvis överstiger flera miljoner grader - tillräckligt för att riva isär atomkärnor och omvandla dem till nya typer av materia. Våra avslappnade blickar uppåt misslyckas inte bara med att avslöja dessa extrema förhållanden utan den antyder bara den enorma variationen av stjärnor som finns. Stjärnor är arrangerade i par, tripletter och kvartetter. Vissa är mindre än jorden medan andra är större än hela vårt solsystem. Eftersom till och med den närmaste stjärnan är 26 biljoner mil långt ifrån, har nästan allt vi vet om dem, inklusive de på den medföljande bilden, bara hämtats från deras ljus.
Vår teknik är idag fortfarande oförmögen att skicka en person eller en robot till till och med den närmaste stjärnan inom en rundresetid som sträcker sig över mindre än flera tusen år. Därför förblir stjärnorna fysiskt otillgängliga nu och under många år framöver utan ett enastående genombrott i rymdframdrivningen. Men även om det inte är praktiskt att besöka berget har det varit möjligt att studera delar av berget som har skickats till oss i form av stjärnbelysning. Nästan allt vi vet om stjärnorna är baserat på en teknik som kallas spektroskopi - analys av ljus och andra strålningsformer.
Spectroscopys början härstammar från Isaac Newton, det sjuttonde århundradets engelska matematiker och forskare. Newton blev fascinerad av den då konstiga uppfattningen, som föreslogs av tidigare tänkare som Rene Descartes, att vitt ljus har alla regnbågens färger. 1666 experimenterade Newton med ett glasprismat, ett litet hål i en av hans fönsterluckor och rumets vita vägg. När ljuset från hålet passerade genom prismen sprids det, som med magi, i en matris med något överlappande färger: från röd till violet. Han var den första som beskrev detta som ett spektrum, vilket är det latinska ordet för uppenbarelse.
Astronomin införlivade inte omedelbart Newtons upptäckt. Långt in på artonhundratalet trodde astronomer att stjärnorna bara var en bakgrund för planeternas rörelse. En del av detta var baserat på den utbredda misstroen att vetenskapen någonsin skulle kunna förstå stjärnornas verkliga fysiska natur på grund av deras avlägsna avstånd. Men allt detta ändrades av en tysk optiker vid namn Joseph Fraunhofer.
Fem år efter att ha anslutit sig till ett optiskt företag i München blev Fraunhofer, då han var 24 år gammal, en partner på grund av sin skicklighet inom glasframställning, linsslipning och design. Hans strävan efter ideala linser som används i teleskop och andra instrument ledde till att han experimenterade med spektroskopi. 1814 satte han upp ett kartläggningsteleskop, monterade ett prisma mellan det och en liten solljusskiva och tittade sedan genom okularet för att observera det spektrum som resulterade. Han såg en spridning av färger, som han hade förväntat sig, men han såg något annat - ett nästan otaligt antal starka och svaga vertikala linjer som var mörkare än resten av färgerna och några verkade nästan svart. Dessa mörka linjer skulle senare bli bekanta för alla fysikstudenter som Fraunhofer-absorptionslinjer. Newton hade eventuellt inte sett dem eftersom hålet som användes i hans experiment var större än Fraunhoferens slits.
Fra fascinerad av dessa linjer och visser att de inte var artefakter av hans instrument studerade Fraunhofer dem noggrant. Med tiden kartlade han över 600 linjer (idag finns det cirka 20 000) och vände sedan sin uppmärksamhet mot månen och närmaste planeter. Han fann att linjerna var identiska och drog slutsatsen att detta berodde på att månen och planeterna reflekterade solljus. Därefter studerade han Sirius men fann att stjärnans spektrum hade ett annat mönster. Varje stjärna han observerade, därefter hade en unik uppsättning av mörka vertikala linjer som skiljer var och en från de andra som ett fingeravtryck. Under denna process förbättrade han kraftigt en anordning känd som ett diffraktionsgitter som skulle kunna användas i stället för ett prisma. Hans förbättrade gitter gav mycket mer detaljerade spektra än ett prisma och gjorde det möjligt för honom att skapa kartor över de mörka linjerna.
Fraunhofer testade sina spektroskop - en term som myntades senare - genom att observera ljuset från en gasflamma och identifiera de spektrallinjer som dök upp. Dessa linjer var emellertid inte mörka - de var ljusa eftersom de härrör från ett material som hade värmts upp till glödlampa. Fraunhofer noterade sammanfallet mellan positionerna för ett par mörka linjer i solspektrumet med ett par ljusa linjer från hans labbflammor och spekulerade att de mörka linjerna kan orsakas av frånvaron av ett särskilt ljus som om solen (och andra stjärnor) hade rånat sina spektra av smala färgband.
Mycket om de mörka linjerna löstes inte förrän omkring 1859, då Gustav Kirchhoff och Robert Bunsen genomförde experiment för att identifiera kemiska material efter deras färg när de bränns. Kirchhoff föreslog att Bunsen skulle använda ett spektroskop som den tydligaste metoden för att göra en åtskillnad och det blev snart uppenbart att varje kemiskt element hade ett unikt spektrum. Till exempel producerade Sodium de linjer som först upptäcktes av Fraunhofer flera år tidigare.
Kirchhoff fortsatte korrekt att förstå de mörka linjerna i sol- och stjärnspektra: ljus från solen eller en stjärna passerar genom en omgivande atmosfär av svalare gaser. Dessa gaser, såsom natriumånga, absorberar sin karakteristiska våglängd från ljuset och producerar de mörka linjer som först upptäcktes av Fraunhofer tidigare det seklet. Detta låste upp koden för kosmisk kemi.
Kirchoff dechiffrerade senare solatmosfärens sammansättning genom att inte bara identifiera natrium utan järn, kalcium, magnesium, nickel och krom. Några år senare, 1895, skulle astronomer som tittade på en solförmörkelse bekräfta spektrallinjerna för ett element som ännu inte hade upptäckts på jordhelium.
När detektivarbetet fortsatte upptäckte astronomer att strålningen de studerade genom spektroskop sträckte sig utöver de välkända synliga färgerna till elektromagnetiska regioner som våra ögon inte kan uppfatta. Idag är mycket av det arbete som fäster professionella astronomers uppmärksamhet inte med de visuella egenskaperna för djupa rymdobjekt utan med deras spektra. Praktiskt taget alla de nyligen hittade extra solplaneterna, till exempel, har upptäckts genom att analysera stjärnspektrumskift som introduceras när de går runt deras moderstjärna.
De enorma teleskop som prickar världen på extremt avlägsna platser används sällan med ett okular och tar sällan fotografier som de som ingår i denna diskussion. Vissa av dessa instrument har spegeldiametrar över 30 fot och andra, fortfarande i konstruktions- och finansieringsstadier, kan ha ljusuppsamlingsytor som överstiger 100 meter! I stort sett är alla, de som finns och de på ritbordet, optimerade för att samla och dissekera ljuset de samlar med sofistikerade spektroskop.
För närvarande produceras många av de vackraste djupa rymdbilderna, som de som presenteras här, av begåvade amatörastronomer som dras till skönheten i föremål som driver genom djupa rymden. Beväpnade med känsliga digitala kameror och anmärkningsvärt exakta men blygsamma optiska instrument fortsätter de att vara en inspirationskälla för människor runt om i världen som delar sin passion.
Den färgstarka bilden uppe till höger producerades av Dan Kowal från hans privata observatorium under augusti i år. Den presenterar en scen belägen i riktning mot den norra stjärnbilden Cygnus. Denna komplexa massa av molekylärt väte och damm ligger cirka 4 000 ljusår från jorden. Mycket av ljuset som ses i huvuddelen av denna nebulosa genereras av den massiva ljusa stjärnan nära centrum. Vidvinkel, långa exponeringsfotografier visar att nebulon är mycket omfattande - i huvudsak en enorm flod av interstellärt damm.
Denna bild tillverkades med en sex-tums apokromatisk refraktor och en 3,5 megapixel astronomisk kamera. Bilden representerar nästan 13 timmars exponering.
Har du bilder du vill dela? Skicka dem till Space Magazine astrofotograferingsforum eller skicka ett e-postmeddelande till dem, så kanske vi har ett i Space Magazine.
Skrivet av R. Jay GaBany
