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但是哈勃注定要在未来几年内再次动摇天文学，而且这一次的观察更具革命性，它将迫使宇宙学家重新评估永恒静态宇宙的假设。为了实现这接下来的突破，他需要利用一项相对较新的技术，一项充分利用了望远镜的威力和照相术的敏感性的技术。这件被称为分光镜的装备将允许天文学家从到达他们的巨型天文望远镜的微薄的光中提取出每一点信息。这一工具的起源可追溯到19世纪的科学的希望和抱负。
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变动的世界
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1842年，法国哲学家奥古斯特·孔德试图找出这样一种知识领域，这个领域的知识将永远超出科学事业的范围。例如，他认为恒星的某些特质就永远无法确定：“我们看到，我们是如何能够确定它们的形状、它们的距离、它们的体量和它们的运动的，但我们永远无法知道它们的化学结构或矿物结构。”
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事实上，孔德的这一说法在他死后两年就被证明是错误的，因为科学家们开始发现离我们最近的恒星——太阳——上存在哪些类型的原子。为了了解天文学家是如何揭开恒星的化学成分这个秘密的，我们首先要在一个基本水平上了解光的本质。具体而言，这里有3个关键点。
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首先，物理学家认为，光是电场和磁场的振动，这就是为什么光及相关的辐射形式被称为电磁辐射的原因。其次，更简单地说，我们可以把电磁辐射或光看成是波。第三个关键点是，光波的相邻两个波峰（或连续两个波谷）之间的距离——波长——告诉我们几乎所有我们需要了解的有关光波的知识。波长的例子见图51。
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例如，光是一种能量形式。特定波长的光波所携带的能量的量与其波长成反比。换言之，波长越长，光波的能量越低。对人而言，我们很少关心光波的能量，而是用颜色作为区分不同光波的基本特征。蓝色、青色和紫色对应于较短的波长和较高的能量，而橙色和红色则分别对应于波长较长、能量较低的光波。绿色和黄色对应于中等波长和能量的光波。
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具体来说，紫光的波长大约为0.0004毫米，红光的波长大约为0.0007毫米。还有波长更短和更长的波，但我们的眼睛对这些波不敏感。大多数人用“光”这个词来描述那些我们可以看到的波，但物理学家对这个词的使用要宽泛得多，他们用它来描述人眼可见的或不可见的任何形式的电磁辐射。比紫光的波长更短、能量更高的光包括紫外线和X射线，而比红光波长更长、能量更低的光则包括红外辐射和微波。
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对于天文学家来说至关重要的一点是恒星发出的光波。他们希望星光的波长可以告诉他们一些关于发出这些光的恒星的某些信息，比如它的温度。例如，当一个物体达到500℃时，它有足够的能量来发出红色可见光，所以红光是热的。随着温度的升高，该物体具有更多的能量，并发射出能量更高、波长更短的偏蓝的光，并且物体从赤热向白热化转变，因为现在它发射的是从红到蓝的多种波长的光。标准灯泡的灯丝工作在大约3000℃温度下，这无疑使得它白热化。通过评估星光的颜色以及该恒星发射出的不同波长的比例，天文学家意识到他们就能估算出它的温度。图52显示了在不同的表面温度下恒星发出的波长的分布。
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除了测量恒星的温度，天文学家还搞清楚了如何通过分析星光来确定恒星的成分。他们所采用的这项技术其源头可追溯到1752年，当时苏格兰物理学家托马斯·梅尔维尔做了一项神奇的观察。他将不同的物质添加到火里，注意到每一种物质都会产生各自不同的特征色。例如，食盐发出的是鲜橙色的火光。只要在燃气灶具的火焰上洒上少量的食盐，你很容易观察到这种橙黄色。
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图51 光可以描绘成波。光波的波长是两个连续波峰（或波谷）之间的距离，它告诉我们几乎所有我们需要了解的关于光波的知识。特别是，波长与光波的颜色和能量有关。
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图（a）显示的是波长较长、能量较低的红光的光波。
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图（b）显示的是波长较短、能量较高的蓝色光波。可见光的波长都不到千分之一毫米，从紫光的大约0.0004毫米到红光的0.0007毫米。通常波长用纳米（nm）来量度；1纳米是十亿分之一米。因此，红光具有大约700纳米的波长。
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存在比蓝光的波长更短的光波（例如紫外线辐射和X射线），也有比红光波长更长的光波（例如，红外辐射、微波），但这些都是人的眼睛不可见的。
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白光光束是各种颜色和波长的光的混合。当白光通过玻璃棱镜后这一点可以看得很清楚，因为光束分裂成彩虹状，如图（c）所示。这是因为不同波长的波具有不同的行为。具体来说就是，不同波长的光波在它们进入和离开玻璃棱镜的过程中以不同的角度偏折。
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图52 本图显示了由三个具有不同表面温度的恒星所发射的光波波长的范围。主曲线显示的是表面温度6700℃的恒星所发射的波长的分布。分布的峰值位置在蓝色和紫色波长波段，但它也发出可见光谱中其他颜色的光。这颗星还辐射出少量的红外线和大量的紫外线，相应的波长分别比可见光波长更长和更短。中间曲线表示的是表面温度5000℃的恒星所发射的波长分布。它在可见光波段的中间波长较长的地方达到峰值，因此该星发射的光的颜色有良好的混合。最下面的曲线表示由更冷的恒星（3700℃）所发射的波长分布。其峰值位置在波长分布的更长波长处，发出的是大量的红光和大量的不可见的红外辐射。这颗星看上去显黄-红色的外观。
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通过观测恒星发射的波长的范围，地球上的天文学家就可以推断出恒星的温度。波长分布起着温度标签的作用。总之，恒星越冷，它所发射的波长就越长，看上去就越红。相反，恒星越热，它所发出的波长就越短，看上去就更蓝。
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与食盐相关联的独特颜色可以追溯到其原子水平的结构。食盐就是氯化钠，橙色光就是由氯化钠晶体里的钠原子产生的。这也可以解释为什么街头的钠灯呈橙黄色。让钠发出的光通过一个棱镜，我们就可以精确分析其所辐射的波长，所辐射的两个主要波段都在光谱的橙色区域，如图53所示。
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每种类型的原子都具有发出特定波长（或颜色）的光的能力。这种能力取决于其具体的原子结构。图53也给出了除钠之外其他元素所发出的波长，氖发出的波长处于频谱的红端。这也是你看氖灯所看到的颜色。另一方面，汞发出的是一些较蓝的波长，这也解释了为什么水银灯呈蓝色。除了照明设计师，烟花生产商也对不同的物质所发射的波长有兴趣，用它们可以营造出他们所需要的效果。例如，含有钡的烟花发绿光，而那些含有锶的烟花则发出红光。
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图53 钠发出的主要可见光如第五行光谱图所示。在大致0.000589毫米（589纳米）处有两条谱线，它们对应于橙色。这张图代表了钠的指纹。事实上，每个原子有它自己的指纹，这从不同波长的图谱上看得很明显。原子根据其所在环境可以表现出稍许不同的指纹，例如当原子处于高压下便是如此。最下面的谱是未知气体的谱，通过与其他谱的比对，可以明显看出，气体中含有氦和钠。
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每种原子所发出的精确波长可起着指纹的作用。因此通过研究被加热物质所发射的波长，就能够识别该物质原子。图53的最下面的光谱是一种未知热气体所发出的波谱，通过与其他光谱的发射波长的比对，我们可以看出，这种气体里含有氦和钠。
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这门关于原子、光、波长和颜色的科学被称为光谱学。物质发光的过程被称为谱发射。相反的过程——谱吸收——也存在，这时特定波长的光被原子吸收。因此，如果整个波长范围的光通过盐的蒸汽，那么大部分的光将不受影响地穿过，但有一些关键的波长将被盐中的钠原子吸收，如图54所示。被钠吸收的波长完全等同于钠所发射的光的波长，而且这种吸收与发射之间的对称性对所有的原子均适用。
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