Fraunhofer, Kirchhoff og Bunsen indførte spektrene i astronomien

Man kan ikke forestille sig den moderne astronomi uden mulighed for at analysere lyset fra Solen, planeterne og stjernerne. Det er denne analyse, som har gjort det muligt for os at vide, hvilke stoffer både planeter og stjerner er opbygget af.

Metoden hedder spektralanalyse, og den består i al sin enkelhed i, at lyset sendes gennem et prisme eller gitter, så det spredes ud i alle sine farver. Vi ser et såkaldt spektrum - men det er ikke bare farver man ser, der er også nogle mærkelige mørke linjer.

Det er disse mørke linjer, vi skal se nærmere på, og i virkeligheden blev fysikken bag dem først endeligt forklaret af Niels Bohr i 1913.

Men de blev set 100 år tidligere, og det lykkedes faktisk at anvende de mørke linjer til analyse af stjernerne længe før, vi fik den teoretiske forståelse. Det har især tre forskere, Fraunhofer, Kirchhoff og Bunsen æren for.

Fraunhofer gik skridtet videre

Joseph von Fraunhofer (1787-1826) var en tysk optiker, der bedst er kendt for sine studier af Solens spektrum og sin opdagelse af de mørke linjer i Solens spektrum.

På sin tid var han også berømt for at bygge de bedste teleskoper i Europa, ligesom han udviklede spektroskopet til studier af spektre.

Ganske vist havde både Newton og astronomen William Herschel før Fraunhofer sendt Solens lys gennem et prisme og derved vist, at det hvide lys blev opløst i alle regnbuens farver. William Herschel havde endda opdaget den infrarøde varmestråling, fordi han ved et tilfælde havde anbragt et termometer udenfor det synlige område.

Men Fraunhofer går et skridt videre, og han bliver den første, der i detaljer observerer Solens spektrum og derved opdager de mørke linjer i solspektret, der nu bærer hans navn, ’Fraunhoferlinjerne’.

LÆS OGSÅ: Astronomer ser første ‘snelinje’ rundt om ung stjerne

En vanskelig start på tilværelsen

Men vejen frem er lang og trang. For Joseph Fraunhofer får en ganske hård start på tilværelsen. Han er født i 1787 i Straubing i Bayern (dengang Bavaria) i det sydlige Tyskland som 11. barn af en glasmager.

Allerede som 11-årig mistede han begge sine forældre. Men noget må han have haft i arv fra sin far, for han kommer i lære netop hos en glasmager, Phlipp Anton Weichelsberger der fremstiller dekorative glasvarer og spejle.

Desværre var Weichelsberger en brutal og hård arbejdsgiver, der ikke engang tillod den unge Joseph at gå i søndagsskole. Det var ellers en undervisning, der var forbeholdt unge og børn, der i stedet måtte arbejde hele ugen.

Taget falder ned over den unge Joseph

Men da Joseph i 1801 er 14 år, indtræffer en hændelse, der helt kommer til at ændre hans liv.

Måske som følge af dårlig vedligeholdelse kollapser Weichelsbergers værkstedsbygning og hus pludselig, og Joseph bliver spærret inde mellem murbrokkerne, men overlever mirakuløst, vistnok fordi han tilfældigvis befinder sig i ly af en tværbjælke, der skærmer ham.

Prinsen griber ind

Der går ry af denne store ulykke, mange deltager i redningsarbejdet, og den kommer endda Prinsen af Bavaria, Maximilian IV Joseph for øre. Han bliver opmærksom på den tilskadekomne dreng og beslutter sig for at tage vare på ham. Han bringer drengen med hjem til sit slot, hvor han planlægger den videre vej for ham.

Prinsen støtter Fraunhofer økonomisk og sørger for at finde en ny formynder, og valget falder på advokat og iværksætter von Utzschneider, der tillader, at drengen kommer til at gå i søndagsskole.

Fraunhofer udfolder sine talenter

Nu går det fremad for Fraunhofer. Takket være prins Maximilians støtte, lykkes det unge Fraunhofer at blive tilknyttet et Optisk Institut, der holder til i et tidligere Benediktinerkloster. Her får han for første gang mulighed for at udfolde sine talenter som glasmager.

Han går i gang med at fremstille prismer og linser og udvikle apparater til at måle brydningsindeks for forskellige glassorter med stor præcision, og ikke mindst kaster han sig over at fremstille linser til teleskoper, som han selv bygger.

Han bliver hurtigt anerkendt som den bedste glasmager og linsebygger i verden - endda bedre end berømtheder som fysikeren Michael Faraday i England. Og her taler vi om en ung mand blot midt i tyverne. Højdepunktet i denne periode er nok bygningen et teleskop, der med en linse på 24 cm, var sin tids bedste i verden.

I 1814 opfinder han spektroskopet – der med et prisme kan opløse hvidt lys I spektrets farver – og med en skala kan vise beliggenheden af de forskellige linjer i spektret. Han udvikler og forfiner også diffraktionsgitteret , der den dag i dag er kendt af fysikelever til bestemmelse af bølgelængder for lys.

LÆS OGSÅ: Astronomisk ædegilde: Sort hul æder stjerne gennem 10 år

Nu kommer turen til Solen

Fraunhofer kan nu gå i gang med at observere Solen. Han lader sollyset passere sit spektroskop og opdager, at solspektret er afbrudt af en mængde mørke linjer – med tiden får han talt op mod 574 mørke linjer - de spektrallinjer, der går over i historien som ’Fraunhoferlinjerne’.

Sirius ligner ikke Solen

Fraunhofer har ikke selv nogen forklaring på de mørke linjer. Men for at studere sagen nøjere giver han sig til at observere lyset fra Sirius og andre klare stjerner, hvor han også opdager mørke linjer. Men endnu vigtigere, så bemærker han, at spektrene fra Sirius og de andre stjerner er forskellige både fra hinanden og fra Solens spektrum.

Hermed har Fraunhofer i virkeligheden lagt grunden til ’stjernespektroskopien’, som senere generationer af astronomer bruger som vigtigste redskab til at klassificere stjernerne.

Fraunhofer bliver påskønnet

Fraunhofer modtog mange hædersbevisninger for sit alsidige virke. Han blev æresdoktor ved universitetet i Erlangen og æresborger i München. Det mest ærefulde var vel, at han i 1824 blev tildelt Riderordenen af den tidligere prins, nu Kong Maximilian I, så han kunne kalde sig Joseph Ritter von Fraunhofer.

Desværre varede hæderen kort, for allerede i 1826 døde Fraunhofer af tuberkulose i en alder af bare 39 år.

Måske har det også forværret hans helbred, at han under sit laboratoriearbejde konstant var udsat for de giftige af dampe fra tungmetaller.

LÆS OGSÅ: Universets første molekylære forbindelse fundet i rummet

En fysiker og en kemiker går videre med Fraunhofers studier

Det blev fysikeren Gustav Kirchhoff (1824-1887) og kemikeren Robert Bunsen (1811–1899), der kom til at tage over efter Fraunhofer. Hvor Fraunhofer blot havde beskrevet spektrets udseende med de mørke linjer, så gav de to sig til at undersøge, hvad det var, man så.

Hermed kom de til at grundlægge Spektralanalysen, hvor man kan opfatte spektrallinjerne som en slags fingeraftryk, der fortæller hvilke grundstoffer, man observerer.

Kirchhoff og Bunsen begynder i 1850'erne deres samarbejde i laboratoriet, hvor de undersøger lyset fra flammer af forskellige meget rene grundstofdampe som Natrium, Kalium og Barium ved brug af en bunsenbrænder, som alle, der har færdedes i et kemilokale, kender til.

Det er selvfølgelig Bunsen, der har lagt navn til. De meget rene grundstofdampe får de ved at antænde små portioner salte af grundstofferne, som for eksempel Natriumklorid (køkkensalt)

Ud fra disse forsøg finder de ud af, at hvert grundstof har sit karakteristiske spektrum. Endelig i 1859 opdager de, at gasarter også kan absorbere lys af forskellige bølgelængder – og derved vise mørke linjer, der hvor lyset er forsvundet.

Kirchhoff og Bunsen forklarer, hvad Fraunhofer så

Det er netop, hvad der sker, når sollyset passerer gennem Solens atmosfære på sin vej mod Jorden. De grundstoffer, der findes i solatmosfæren, absorberer lys netop ved de bølgelængder, der er karakteristiske for deres spektre.

Ved at sammenligne Fraunhofers spektrum med de mørke linjer med deres egne flamme forsøg kunne Kirchhoff og Bunsen genkende spektrallinjerne fra forskellige grundstoffer, som for eksempel Natrium, der er meget tydelig i solspektret.

Solens atmosfære afslører på denne måde, hvilke grundstoffer, den består af.

Kirchhoffs tre love for dannelse af spektre

Med udgangspunkt i disse studier får Kirchhoff formuleret sine tre love for dannelse af spektrallinjer.

Her redegør han for de tre typer af spektre, det kontinuerte spektrum med alle spektrets farver, emissionsspektret, en samling af lysende linjer, der er karakteristisk for et grundstof og endelig absorptionsspektret af mørke linjer, igen hvor hvert grundstof har sit sæt af linjer.

Kirchhoffs tre love for dannelse af stjernespektre lyder således:

1. Hvis lys fra en hvid lyskilde, for eksempel en stjerne, sendes gennem et prisme, fås et kontinuert spektrum af alle spektrets farver.
2. Hvis det hvide lys passerer en gassky -eller stjernens lys passerer gennem stjernens atmosfære, bliver det kontinuerte spektrum overlejret af en række mørke linjer, kaldet absorptionslinjer.
3. Hvis lys fra en gassky, eller lyset fra en ren gasflamme, sendes gennem et prisme, ser man en række lyse linjer, kaldet et emissionslinje spektrum.

Ud over sine studier indenfor spektroskopi har Kirchhoff bidraget til elektricitetslæren med sine ligninger for elektriske kredsløb.

I 1877 modtog Bunsen og Kirchhoff som de første den prestigefyldte Davy medalje for deres forskning og opdagelser indenfor spektroskopien. Men deres liv og karriere er slet ikke fyldt med det samme drama, som var tilfældet for Fraunhofer.

Bunsen var en anerkendt forsker, der var meget afholdt af sine studenter. Han var et stilfærdigt menneske, der nød at arbejde i sit laboratorium og kun nødigt indlod sig i store teoretiske diskussioner. På sine ældre dage vendte han sin interesse mod geologi og mineralogi. Bunsen døde 88 år gammel.

Tilbage står, at Spektroskopien i dag stadig er basis for den moderne astrofysik ved studiet af stjernernes fysik.

Man kan sige, at næst efter teleskopet er spektroskopet det vigtigste instrument i astronomiens historie.

LÆS OGSÅ: Sådan gik det til, dengang nobelprisvinderne opdagede en fjern klode og kosmisk baggrundsstråling

LÆS OGSÅ: Ny teori: Mørkt stof blev dannet i sekundet efter Big Bang

LÆS OGSÅ: Er vi virkelig alene i rummet? NASA indgår vigtigt samarbejde for at finde svaret