2019年，NASA两大太空望远镜的合作首次识别出了一颗大小介于地球和海王星之间的行星的化学成分，它就是Gliese 3470 b（简称GJ 3470 b）（距离地球100光年）。据信，这颗行星拥有一个巨大的岩石内核，它被埋藏在由氢和氦组成的大气层之下。

距离地球这么远的距离，没有能力去给它的大气进行采样，科学家是如何知道这么遥远地方天体大气的化学成分的呢？

五颜六色的烟花

过年过节的时候，我们都看过放烟花，而烟花为什么会有各种颜色？红的，绿的，蓝色的？

烟花是在火药(主要成分为硫黄、炭粉、硝酸钾等)中按一定配比加入镁、铝、锑等金属粉末和锶、钡、钠等金属化合物制成的。由于不同的金属和金属离子在燃烧时会呈现出不同的颜色(即“焰色反应”)，所以烟花在空中爆炸时，便会绽放出五彩缤纷的火花。例如，铝镁合金燃烧时会发出耀眼的白色光；硝酸锶和锂燃烧时会发出红色光；硝酸钠燃烧时会发出黄色光；硝酸钡燃烧时则会发出绿色光。

不同烟花的颜色主要利用各种元素的焰色反应，大致如下：

红色：碳酸锂、碳酸锶

橙色：氯化钙

黄色：硝酸钠

绿色：氯化钡

蓝色：氯化铜

靛蓝：硝酸铯

紫色：硝酸钾、硝酸铷

金色：木炭、铁

白色：钛、铝、镁

火流星的颜色

火流星指的其实是直径1米以下的流星体，进入大气层，与大气剧烈摩擦产生的现象。也正是因此，我们看到的火流星一般都会伴随着高亮。至于火流星所释放的光芒颜色，则是“因星成分不同而异”，构成火流星的物质元素不同，在高温下剧烈燃烧，所释放出的光芒就会不同。

比如含铜、镍元素的较多的火流星，会呈现出幽幽的绿色光芒。含钠元素较多的火流星，会呈现出黄色光芒。含钙元素较多的火流星，会呈现出紫色光芒。含镁元素较多的火流星，则会呈现出蓝绿色光芒，一般情况下，绿色、黄色的火流星是最为常见的，因为来自外太空的流星体，内部含铜、镍、钠元素者居多。

橘色的火星

夜空中，火星大冲的时候，我们通过肉眼看火星，可发现火星看起来是有点呈现橙色的。

火星表面土壤含有大量的名为赤铁矿的三氧化铁。在火星上，由于早期火山爆发时从裂缝和火山中喷出的气体自燃，在燃烧过程中形成了赤铁矿。赤铁矿也是铁锈的主要成分，它的微粒呈球状，平均直径约为0.1微米，因此呈红色。

祝融号着陆区的地表颜色

光谱

光谱（spectrum），是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

光波是由原子运动过程中的电子产生的电磁辐射。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。

光谱分析可以帮助我们了解遥远行星的一些化学成分。当阳光照射到天体上时，它会从其表面反射某种颜色。这有助于科学家用望远镜获取数据。

例如，当阳光照射到火星上时，火星就会呈现红色。进一步分析表明，火星上有大量的氧化铁，其颜色为橙色。我们就通过火星的光谱知道了它表面的大致成分构成。

因此，虽然我们没有直接去采样，但是通过行星反射的光携带的信息，我么就能知道行星上的情况，这种光谱研究方法不仅有助于确定地球表面和大气层的组成，而且有助于建立地球内部可能存在哪些物质的理论。有些物质是化学反应和某些元素在深处衰变的产物。

光谱分析有助于科学家获得大量有关行星及其结构的数据，也节省了时间和资源。

吸收谱线

吸收谱线是指某一波段的光被冷气体吸收时在光谱中形成的暗谱线。来自天体的光，被原子或分子选择性的吸收，导致那部分的光从星光中被消去，留下一条条的暗线。

天体如何产生光谱？想像一大片氢原子云散布在太空中，中间点了一盏白热灯泡，灯泡发光是因为灯丝被加热到高温，产生黑体辐射，所以辐射出所有波长的光子，形成一道连续、没有中断的色带，称为连续光谱（continuous spectrum）。

但是，当这些光子在到达我们的望远镜前，通过包围着灯泡的氢气时，大部分不符合氢原子能阶差的光子都顺利通过了，但是有一些波长恰好符合的光子便会被与其碰撞的氢原子吸收，而无法到达地球。氢原子在被激发后很短的时间内，电子又回到原来的能阶而放出新的光子，但新光子的方向却是随机的而非一定朝向地球，所以只有极少数的新光子能再到达地球，被望远镜接收到。于是望远镜所接收到的光谱便不再是灯泡的连续光谱，而少了符合氢原子能阶差的特定波长光子，在整条原本完整的光谱中这些波长处便形成了黑线，这些黑线称为吸收线（absorption lines），因为它们是被原子吸收了的部分，而包含吸收线的光谱便称为吸收光谱（absorption spectrum），也叫做暗线光谱（dark line spectrum）。

下面这个图介绍得就十分清楚了。

恒星光谱分类

在天文学中，恒星分类是将恒星依照光球的温度分门别类，伴随着的是光谱特性、以及随后衍生的各种性质，根据维恩定律可以用温度来测量物体表面的温度，但对距离遥远的恒星是非常困难的。星光谱学提供了解决的方法，可以根据光谱的吸收谱线来分类：因为在一定的温度范围内，只有特定的谱线会被吸收，所以检视光谱中被吸收的谱线，就可以确定恒星的温度。早期(19世纪末)恒星的光谱由A至P分为16种，是使用的光谱的起源。

主要光谱特征

如下﹕

O型星﹕蓝白色。紫外连续谱强。有电离氦﹑中性氦和氢线﹔二次电离碳﹑氮﹑氧线较弱。如猎户座ι(中名伐三)。

B型星﹕蓝白色。氢线强﹐中性氦线明显﹐无电离氦线﹐但有电离碳﹑氮﹑氧和二次电离硅线。如大熊座η(中名摇光)。

A型星﹕白色。氢线极强﹐氦线消失﹐出现电离镁和电离钙线。如天琴座α(中名织女一)。

F型星﹕黄白色。氢线强﹐但比A型星弱。电离钙线大大增强变宽﹐出现许多金属线。如仙后座β(中名王良一)。

G型星﹕黄色。氢线变弱﹐金属线增强﹐电离钙线很强很宽。如太阳﹑天龙座β(中名天棓三)。

K型星﹕橙色。氢线弱﹐金属线比G型星中强得多。如金牛座α(中名毕宿五)。

M型星﹕红色。氧化钛分子带最突出﹐金属线仍强﹐氢线很弱.

R型星和N型星﹕橙到红色。光谱同K和M型星相似﹐但增加了很强的碳和氰的分子带。后来把它们合称为碳星﹐记为C。如双鱼座19号星。

S型星﹕红色。光谱同M型星相似﹐但增加了强的氧化锆分子带﹐常有氢发射线。如双子座R。

系外行星凌日法

从1995年发现第一颗系外行星到现在，我们已经找到了4000多颗系外行星，其中大部分行星是通过“凌日法”发现的。凌日法的原理很简单：当行星运行到恒星“前面”时，恒星的光会被挡住一部分，使观测到的亮度发生变化。如果一颗恒星的亮度周期性变暗，就可以判断它的周围至少有一颗行星。

当行星“凌日”时，恒星的一部分光线会通过行星的大气层，部分波长的光被行星大气中的分子吸收，从而在光谱中留下行星大气的痕迹。通过比较光谱的变化，就可以检测行星大气的成分，从而判断生命存在的可能性大小。

比如下图就是红外线波段的水星的样子。

700光年外的二氧化碳

最近韦伯望远镜选择观测了目标WASP-39b，距离地球约700光年，这颗系外行星跟它的母恒星之间的距离只有约0.05天文单位，也就是地球跟太阳之间的距离的1/20，由于距离十分接近母恒星的炙热阳光，让WASP-39b的大气层升温膨胀，使得这个质量只跟土星相当的行星体积却比木星还大，形成又热又蓬松的大气层，可以想象行星越是巨大，大气越是蓬松，就越能遮挡住母恒星的光，从而制造出更明显的吸收谱线。

为了方便天文学家分析，因此WASP-39b才会被选为第一个让韦伯小试牛刀展示实力的目标，利用近红外线光谱仪，韦伯记录了WASP-39b在穿越母恒星前方的过程中，母恒星不同波段的亮度变化，曲线中段的陡降正是由WASP-39b遮挡了它母恒星的光线所产生的。

乍看之下，每个波段的亮度变化曲线似乎没什么不同，但其实可以放大观察，你会发现在4.3微米的波段，母恒星的亮度下降要略高于其他波段，如果我们将各波段被吸收的量一字排开，就可以清楚的看到在4.3微米处有个明显的吸收高峰，经过比对后，天文学家相信这个高峰正是源自二氧化碳的吸收谱线，这是天文学家首次清晰的在系外行星的大气层中找到二氧化碳存在的证据。

地球的光谱暴露

自从人类发明了电灯，我们征服了黑夜，同样也让我们暴露的宇宙黑暗森林中。外星智慧生命也会通过光谱来发现行星上是否存在智慧生物。

而我们在地球上实验了一颗核弹或者氢弹，这些光谱都会暴露我们科技能力的存在。

而地球发出的这些信号也可能使我们被先进的地外文明探测到。哪怕相距极远，外星生命也能判断出地球是一颗宜居星球，但必须离得足够近、能够观察到地球相对较新的状态，外星生命才能发现地球上生活着一类掌握了先进科技的物种。

我们在外星天文望远镜里啥样？

左侧为DSCOVR-EPIC照相机拍摄的地球照片。右侧为同一张照片像素降低到3 3的效果，类似于研究人员在未来观察系外行星时见到的情况。

围绕恒星HR 8799旋转的已知有四颗行星，每颗质量都胜过木星。这些行星都是在七年间利用直接成像技术发现的，其公转周期从数十年到数百年不等。就像太阳系一样，内侧行星的公转速度更快，外侧行星则更慢，这也符合引力规律。借助WST、GMT和ELT等下一代望远镜，我们或许能对附近的类地行星或超级类地行星开展进一步侦测。

尽管宇宙中的大部分星系都位于数十亿光年之外，但就在地球方圆几百光年之内，也分布着无数颗恒星。这就意味着成百上千万颗行星、成百上千万存在生命的可能性、甚至成百上千万发现智慧外星生命的可能性。

哪怕其中有一颗星球上存在生命，遥远的空间距离也无法阻止我们对其展开研究，就像它们也会对我们展开研究一样。

光速或许是一大限制因素，但假以时日，人类对地球的影响迟早会被某个星系中的某个外星物种注意到。双方也许无法很快进行交流，但哪怕只发现一种外星生命，都会彻底改变我们对“存在”的理解。