【光譜】次毫米波下的天文學

光譜，是電磁波強度依其對應的波長長短（亦即頻率低高）所排列出來的連續分布圖。電

磁波的波長最短的是伽瑪射線，最長的是無線電波，次毫米波則位於微波與紅外線之間

（如圖）。從地球進行次毫米波段的觀測，因為受到大氣層內水氣吸收的影響，即便是夏

威夷海拔 4205 公尺處乾燥的毛納基峰天文台，有時也只有半數的電磁波能夠順利抵達。

光譜中存在許多好比「指紋」般可以用來認定並研究宇宙中分子的譜線，其中次毫米波段

的譜線對應到的是「轉動的分子」。處於氣態的分子可自由轉動，轉動的快慢對應到分子

擁有能量的多寡。每一種分子，因為結構不同而具備其特有的稱之為「能階」的能量狀態

階梯，也就是分子只能存在于特有的能量系列中，或在其間做類似上下階梯的跳躍。分

子轉動的快慢可以透過與其他分子碰撞，或經由吸收或放射光線（電磁波）而改變。特別

對於其中電子分布不對稱的分子而言，當轉動時，分子自身會像「手機」可以撥接電話一

樣，能夠發出或吸收電磁波，並改變自身轉動的快慢。由於能階的限制，分子只在特定

的能階間跳躍而釋放或吸收特定的能量，釋出或吸收的光線因此會對應於光譜上特定的

波長（頻率），此即為譜線。附圖中列出了幾條一氧化碳分子在轉動的能階間跳躍時，所

產生的光譜線供讀者參考。

在天文學中，藉由觀測譜線可以間接推敲出分子所處的物理與化學環境，如溫度、密度、

磁場以及分子成分等。尤其在次毫米波段的譜線很適合用來研究溫度較高的氣體—例如

恆星形成區周圍的雲氣。所以在很多天文研究中，次毫米波段的譜線觀測是不可或缺的

重要方法！（楊淳惠、謝佩穎 特稿）

圖說：圖中所示一氧化碳（CO）譜線，J 為轉動能階的代號，J 值越大則分子轉動越快，意即分子所擁有的能

量越高。例如 J=5-4 意指 CO 分子由高能階 J=5 躍遷至低能階 J=4，因而釋出特定波長（頻率）的能量。

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