本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
天文學家都練就了「千裡眼」和「火眼金睛」，他們如同偵探一樣，宇宙中只要有一點點光閃過，哪怕再暗，他們都可以揪出背後隱含的一大串信息，從而帶領我們了解宇宙，但是他們需要一些工具輔助。
科學家的「千裡眼」就是我們的太空望遠鏡，特別是哈勃望遠鏡，可謂是勞苦功高。即使再微弱的光在它們的持續曝光下也會顯現，不過光有「千裡眼」可不行，因為距離太遠，因為光會「跑偏」。
元素的遊戲
遊戲我們先玩一個遊戲：我們以ABCD作為暗號，然後每個人有自己的代號，比如說我是AB，你是BD，小娜是CD。
規則一：當敵人拿槍，分別問我們，「你的代號是什麼？」
因為心裡害怕被打死我就會喊出AB，你喊BD，小娜喊CD。
規則二：當敵人把我們聚集起來問我們，「別嘴硬了，我知道你們的暗號是ABCD，都報下自己代號吧，坦白從寬？」
因為沒上槍，不害怕，我們想要偽裝自己，就要把暗號中除了我的自己代碼的其他字母喊出來。
我會喊CD；你喊AC；小娜喊AB；
遊戲規則理解了嗎？理解了就不用玩了，因為這個遊戲元素時時刻刻都在玩。
元素的光不同的元素髮出的光都會發出與眾不同的顏色，所以我們可以看到五彩斑斕的世界。它們發出的光其實就是它們的代碼。比如你給予氫原子能量（拿槍指著），它就會釋放紅、綠、中藍、深藍色的光。鈉原子獲得能量，他就是釋放兩種黃光。
如果你把一束給從紅到藍混合的光給予它，他就會（為了偽裝自己）把具有它自己特性(代號)的光吸收回去，反射出(喊出)其他的光。
這就是元素與光的遊戲，我們可以利用光這樣的特性來識別「誰是誰」？比如說：我們發現某些物質自發的發出兩種波段的黃光，那麼它就是鈉。煙花是最好的例子：五顏六色，我們要多點黃就往火藥裡多加點鈉，我們要點綠就加一些銅。
或者說我們把一束連續波段的光(暗號)照到一個物質上，發現它反射了除了它本身那兩個波段的黃光之外的其他光，那它也是鈉。
不過元素何其多，可不只是ABCD四種這麼簡單，某些元素也會發出黃光，光靠顏色可不行，科學要嚴謹，精確，所以我要祭出「光譜儀」來對照。
光譜分析
前面一提到波段是不是有點發懵？為什麼光要說波段，因為光是一種電磁波。我們能看見的叫做可見光，大部分的電磁波我們看不見，比如遙控器常用的紅外線，還有太陽的紫外線。光的顏色不同是因為光的波長不同。我們一般以納米為單位，而波段就是波譜中的一段。
有了光譜就好辦了，它就像所有元素的「指紋庫」。當我們得到物體或星球發出的光，如果是自發光，就直接對照光譜得到波段，如果是反射光，我們就看它缺少哪個波段，這些數據像每種元素特定的「指紋」，然後把這些信息輸入「指紋庫」，電腦就會輸出這是什么元素。
有人可能會問了，比如你看到星球某處的鈉元素是兩種黃光混合成一束光，混合的光如何跟波譜做比較。不要擔心這事牛頓很早就幫我們解決了，有個東西叫做三稜鏡它可以散射光，一束混合的陽光通過三稜鏡，你就可以得到彩虹的所有顏色。
但是科技飛速發展，三稜鏡天文學家早就不用了。我們現在用光譜儀，電腦直接會顯示這束光裡都有什么元素，不需要我們自己去比對，計算了。比如說下圖：雖然肉眼看起來差不多，但是它們的波段中，還是有很多細微的差別，很多我們肉眼都無法識別的，光譜儀就可以「火眼金睛」看出它們的不同之處，從而告訴你恆星所具有的元素種類。
圖：13個恆星的光譜圖
不過，只分析光還不行，雖然愛因斯坦說過「光速不變」（這裡不贅述了，想了解看狹義相對論），但是光的波長是會改變，這是因為宇宙在膨脹。
光被拉長了
如果把宇宙空間分成一個一個的小格子，那麼當宇宙膨脹的時候，這些小格子就會變大。
圖：空間膨脹
根據哈勃定律：宇宙膨脹的速度與距離成正比，也就是說離我們越遠的宇宙空間小格子變大的速度很快。當光線在這片空間中飛行時，波長會因為空間的膨脹而被「拉」長。比如有一個顆恆星在88億年前，發出了一道光，經歷了88億年的跋山涉水，一路走來空膨脹「拉伸」，今天到達地球早已變得媽媽都不認識了。
圖：仔細看光的波長和顏色變化
根據電磁波波譜我們可以知道可見光中藍光波長短，紅光波長長，所以當光被拉長，光就會往紅光方向轉變，天文學家管這個現象叫做紅移。
最好的例子就是宇宙的第一束光，「宇宙微波背景輻射」，經過了138億年的膨脹，現在的波長已經被拉伸到了1*10^6納米，即毫米級別。
總之， 遠距離的星系發出的光，膨脹程度較大，當光的波長改變了，那么元素的「指紋」也就跟著「漂移」了，我們上說的光譜分析也就泡湯了，所以我們要先通過哈勃定律或距離等參數消除紅移，把光波再還原回去。
總結
由此依靠光譜，即使百億光年恆星觸不可及，我們也可以知道恆星上納米和微米級別的元素。延伸一下：不同的元素之所以會發出不同的光是因為原子結構中電子能級態差不同，所以釋放出來的光子能量不同，吸收的能量也不同，因為光子具有波粒二象性，所以形成的電磁波波長不同。