光，在我们身边无时不刻不在帮助着我们认识世界。研究表明，人类从外界获取的信息总量约有80%来自视觉，而光是构成视觉不可或缺的前提。因此，人类对光的研究贯穿了人类的历史，早在古希腊时期就已经出现了解释颜色和视觉的各种理论。牛顿作为近代科学的开创者，一生中做出了无数伟大的贡献，牛顿的三棱镜分解太阳光实验就是其中之一。

1666年牛顿通过建立暗室，让阳光从小孔入射到三棱镜，在暗室的墙壁上观察到了阳光分解而成的各钟色光，这便是太阳的光谱。

图1.牛顿棱镜实验（图源：biography.com）

一百多年后，夫郎和费改进了牛顿的实验装置，让阳光经过狭缝而不是小孔入射到三棱镜，发现太阳光谱中存在500多条暗线，这些暗线分布在太阳光谱上，而其中一对暗线位置恰好与油灯光谱之中的一对亮线完全一致。

图2.夫琅禾费改进的光谱实验装置（图源：https://wps.prenhall.com/wps/media/objects/610/625137/Chaisson/CH.00.002/HTML/CH.00.002.s5.htm）

图3.油灯与太阳谱线

基尔霍夫认为这绝非巧合，他将含有钠元素的灯焰放置在石灰灯前，发现光谱中出现了和太阳光谱中相同的一对暗线，证明了这对神秘的暗线实际来自钠元素对石灰灯中特定光谱的吸收，呈现在光屏上便是这一对暗线。也就证明了夫郎和费发现的那一对暗线，产生自太阳大气层中的钠元素对太阳光谱的吸收作用。

图4.物体不同特性对应不同的光谱（图源：faculty.virginia.edu）

这表明太阳光谱中的五百多条暗线也对应了太阳大气层中大量不同的元素，对太阳光中特定光谱的吸收。意味着只需要获取一个天体的光谱，观察其中的暗线，就可以穿越浩瀚无垠的太空，直接获得这个天体表面的元素成分信息。一个激动人心的，革命性的天文学研究领域，天文光谱学诞生了。

从夫郎和费将狭缝用于观测太阳光谱中开始，其所用的观测设备在原理上就已经和今天的光谱仪十分相似了。在夫郎和费的设计中，狭缝用于限定只有位于缝隙之中的，我们想要观测的天体的光能够入射到三棱镜上形成色散。三棱镜则将入射光中的不同成分分解，以不同的角度从三棱镜出射，最终射入人眼被人们观察。

图5.光谱仪工作原理（图源：https://slideplayer.com/slide/9291260/P57）

现代的光纤光谱仪则结合天文望远镜，通过将光纤放置在望远镜成像面上的方式，用光纤替代狭缝来实现仅允许特定天体的光线通过的功能。另外现代光谱仪普遍使用性能更好的衍射光栅替代三棱镜，原本用于直接观察光谱的人眼也被替换为了专门的光谱镜头和相机。

图6. GMT光纤光谱仪工作原理（图源：https://blog.sdss.org/2015/07/30/how-sdss-splits-light-into-a-rainbow-for-science/）

前面提到的无论是原始的三棱镜还是现代的光纤光谱仪，针对同一光源得到的光谱图像仍然受限在一维空间。近十年内，国际上二维光谱观测领域进展飞速，国际上的各个大小望远镜几乎都配备了二维光谱终端。所谓二维光谱，即通过一次成像，同时得到各个波长处的天体二维图像，而非此前只能得到天体在各个波段的一维光强分布。

图7.积分视场光谱仪三维数据（图源：http://www.12317.com/article-1328.html）

积分视场光谱仪的实现形式主要以下三种，均通过不同的划分方式，将不同位置处的光进行色散和成像，再通过各自的图像处理方式合成天体的二维光谱图像。在可见的未来这种光谱仪将凭借其特殊的优势在天文光谱学中继续发挥作用。

图8.几种积分视场光谱仪的工作原理（Ref [1]）

参考文献：

1. J. Alington-Smith, “Basic principles of integral field spectroscopy”, New Astronomy Reviews 50, 244–251 (2006).