Ist es dunkel in der Sonne?

Das mag wie eine seltsame Frage klingen, aber etwas hat mich kürzlich darüber nachgedacht.

Die Opazität von Plasma im Inneren von Sternen kann ziemlich hoch werden, was zu kürzeren freien Wegen für Photonen führt. Unter diesen Bedingungen denke ich, dass das Licht, das Sie theoretisch sammeln könnten, wenn Sie ein Paar unzerstörbarer Augen im Sonneninneren haben, dasjenige wäre, das vom Plasma in Ihrer unmittelbaren Umgebung ausgestrahlt wird, richtig? Wenn also die Opazität hoch genug ist, kann ich mir Orte innerhalb eines Sterns wie der Sonne vorstellen, wo es die gleiche Umgebungsbeleuchtung gibt wie in einer typischen mondlosen Nacht hier auf der Erde.

Meine Fragen sind:

  • Ist diese Argumentationslinie richtig?
  • Sind diese Bedingungen tatsächlich in einem Stern möglich?
  • Wo genau innerhalb eines Sterns sind diese Bedingungen möglich?

Die Antwort ProfRob hat wie immer eine ausgezeichnete Antwort gegeben, aber falls jemand eine Zusammenfassung in einfacher Sprache möchte, haben wir darüber gesprochen:

Wenn die optische Tiefe des Sonnenplasmas etwa ein paar Mikrometer beträgt, bedeutet dies, dass ich, wenn ich mich in der Sonne befinde, das Plasma nur in einem extrem kleinen kugelförmigen Volumen (tatsächlich so groß wie ein Bakterium) um mein Auge herum beobachte und dass die Der Rest der Sonne ist mir verborgen, als ob es ihn nicht gäbe. Keine Photonen außerhalb dieses extrem kleinen Volumens um meine Augen werden sie erreichen. Dies liegt an der hohen Deckkraft.

Aber aufgrund der Opazität wissen wir auch, dass das Plasma in diesem winzigen Volumen viel Licht absorbieren muss und dass Energie die Temperatur des Plasmas erhöht. Sie sehen vielleicht nicht viel Material, aber dieses Material absorbiert so viel Licht aus der Umgebung, dass es selbst Licht in Form von Wärmestrahlung wieder abgibt. Das Plasma ist eigentlich ein Schwarzkörperstrahler.

Im thermischen Gleichgewicht ist die absorbierte Energie (durch das undurchsichtige Plasma) gleich der emittierten (als Schwarzkörperstrahlung). Wenn wir also außerhalb des thermischen Gleichgewichts wären, wie während eines Supernova-Ereignisses, könnten wir ein anderes Ergebnis erhalten.

Auf jeden Fall ist das, was Sie sehen würden, wenn sich Ihre Augen im Sternplasma befinden, dasselbe, was Sie sehen würden, wenn Sie Ihre Augäpfel auf die Oberfläche eines Sterns drücken würden (vorausgesetzt, die Temperatur im Inneren ist dieselbe wie die der Oberfläche, was gilt nur für eine kleine Tiefe (wenn Sie tiefer gehen, steigt die Temperatur und Sie würden es noch heller sehen).

Es hilft zu denken: Wenn Ihre unzerstörbaren Augäpfel in eine (konstante Temperatur) rotglühende Eisenstange gehämmert würden, könnten sie dann immer noch das rote Licht aus dem Eisen sehen?
@ivella Eintauchen in leuchtendes Luminol könnte eine bessere (und weniger schmerzhafte) Parallele sein, als in eine Eisenstange zu hämmern.
@Mindwin, aber der Prozess, der das Eisen rot glühen lässt, ist derselbe, der die Sonne scheinen lässt: Schwarzkörperstrahlung.
Vielleicht ein einfacherer Weg: "dunkel" impliziert keine Photonen. Es gibt viele, viele Photonen, also kann es nicht dunkel sein.
Nachts ist es.
Schwarzkörperstrahlung ist kein "Prozess".
"dunkel" impliziert keine Photonen ... Ich hätte gedacht, dass "dunkel" keine Photonen im sichtbaren Spektrum impliziert

Antworten (2)

Nein, ist es nicht. Das Strahlungsfeld im Inneren der Sonne kommt einem Schwarzkörperspektrum sehr nahe.

Wenn Sie in eine bestimmte Richtung schauen, sehen Sie die Helligkeit (Leistung pro Flächeneinheit). σ T 4 , Wo σ ist Stefans Konstante. Selbst bei einer bestimmten Wellenlänge ist es immer so, dass ein schwarzer Körper mit höherer Temperatur heller ist als ein schwarzer Körper mit niedrigerer Temperatur.

Angesichts dessen, dass die Innentemperatur sein könnte 10 7   K , dann ist die Oberflächenhelligkeit 5.7 × 10 20   W / M 2 , verglichen mit der 1400   W / M 2 Sie würden direkt in die Sonne schauen ( bitte tun Sie dies nicht ). Beachten Sie, dass der größte Teil dieser Leistung bei Röntgenwellenlängen austritt, aber aufgrund der Eigenschaften eines schwarzen Körpers ist die Helligkeit bei sichtbaren Wellenlängen immer noch viel heller als die der solaren Photosphäre (siehe unten).

Eine mögliche Quelle der Verwirrung ist dieser Begriff "Opazität". Wenn sich die Dinge im thermischen Gleichgewicht befinden, wie es im Inneren der Sonne der Fall ist, dann geben sie genauso viel Strahlung ab, wie sie absorbieren. Eine hohe Opazität bedeutet also auch einen hohen Emissionsgrad.

Angaben bei Interesse:

Die Opazität, κ im Sonneninneren reicht von 1 cm 2 g in der Mitte bis etwa 10 5 cm 2 g knapp unterhalb der Photosphäre. Um die mittlere freie Weglänge von Photonen abzuschätzen, müssen wir diese mit der Dichte multiplizieren ρ und nimm den Kehrwert:

l ¯ = 1 κ ρ   .
Die Dichte variiert von 160 g/cm 3 in der Mitte auf etwa 0,001 g/cm 3 knapp unterhalb der Photosphäre. Somit beträgt die mittlere freie Weglänge etwa 6 Mikrometer in der Mitte und ist direkt unterhalb der Photosphäre ziemlich ähnlich (sie erreicht ihren Höhepunkt bei etwa 2 mm etwa drei Viertel des Weges nach außen zur Oberfläche hin).

Ihr "Blick" auf das Sterneninnere ist also eine neblige Kugel mit einem Radius von nicht mehr als ein paar Mal l ¯ . Der Nebel ist jedoch enorm hell - wie oben skizziert.

Die Helligkeit bei bestimmten Wellenlängen ist proportional zur Planck-Funktion

B λ = 2 H C 2 λ 5 ( 1 exp ⁡ ( H C / λ k B T ) − 1 ) .

Also bei λ = 500 nm (sichtbares Licht), das Verhältnis der Helligkeit für schwarze Körper bei 10 7 K (Sonneninneres) bis 6000 K (Sonnenphotosphäre) beträgt 4.2 × 10 4 . dh schon bei sichtbaren Wellenlängen betrachtet ist das Innere der Sonne etwa 40.000 mal heller als die Photosphäre.

Da die mittlere freie Weglänge in den Bereichen mit hoher Dichte so kurz ist, "bauen" sich Photonen im Inneren auf. Muss das Stefan-Boltzmann-Gesetz , wenn es zur Schätzung des Photonenflusses oder Strahlungsfeldes verwendet wird, irgendwie angepasst werden, um dies zu berücksichtigen? Übrigens Gibt es ein Schwarzkörperspektrum von Photonen in einem Festkörper? braucht eine bessere Antwort und ist das sichtbare Lichtspektrum von „rotglühendem Glas“ zumindest nahe an der Schwarzkörperstrahlung? könnte auch eine Bewertung gebrauchen.
die Glasfrage beschäftigt mich immer noch; Wie kann der sichtbare Teil des Spektrums ein schwarzer Körper sein, wenn Glas im sichtbaren Licht nicht schwarz ist (Sie können immer noch hindurchsehen, wenn es heiß ist). Ich vermute, das passiert ständig in der Astronomie ...
@uhoh und ich habe das dort beantwortet. Wenn Sie hindurchsehen können, sendet es keine Schwarzkörperstrahlung aus. Wenn die Absorption wellenlängenabhängig ist, kann ihr Spektrum die Form eines schwarzen Körpers haben.
@uhoh Ich weiß nicht, was du mit "aufbauen" meinst. Die Energiedichte des Strahlungsfeldes ist ebenfalls proportional zu T 4 . Sie ist völlig unabhängig von der mittleren freien Weglänge oder irgendeiner anderen Eigenschaft des sie erzeugenden Gases.
Ein Etalon ist keine gute Analogie, aber es kann helfen, einfach zu verdeutlichen, was ich mit "aufbauen" meine. Vielleicht ist eine integrierende Kugel ein anderes, aber ähnlich unvollkommenes Beispiel. Wenn ich 1 Watt Licht in ein Ende eines Etalons strahle, sammle ich (fast) 1 Watt aus dem anderen heraus. Aber wenn ich den Photonenfluss in einem langen Etalon mit etwas mit einem kleinen Sensor, der nur von einer Seite misst, abtastete und diesen zur Schätzung des Photonenflusses verwendete, würde ich sagen, dass der Fluss mit 100 oder 1000 Watt übereinstimmt, nicht mit 1 Watt . Dies liegt am „Aufbau“ von Photonen.
Ich sage nicht, dass 5.7E+20 unbedingt weit weg ist, und ich sage nicht, dass die Zahl nicht proportional dazu wäre T 4 , ich frage mich wegen der starken Streuung / des sehr kurzen mittleren freien Wegs über eine multiplikative Konstante für den Photonenfluss. Angenommen, ich mache Folgendes; Stellen Sie eine Fotodiode in die Mitte einer glühenden Glaskugel und führen Sie eine Messung durch. Dann stelle ich das Ganze ins Zentrum einer größeren Kugel mit stark reflektierender matter Oberfläche, sodass sich das Licht durch Dutzende oder Hunderte von Streuungen „aufbaut“. Mein Zählerstand in der Mitte meiner Glaskugel wird weit nach oben gehen!
@uhoh ein schwarzer Körper absorbiert alle Photonen, die auf ihn einfallen. Es spiegelt keinen von ihnen wider. Etalons sind im Allgemeinen einfarbig. Nichts wie Schwarzkörperstrahlung. Ihr zweites Beispiel erreicht keinerlei Gleichgewicht; auch kein Schwarzer.
Okay, ich habe gesagt, dass dies "Analogien" sind (und nicht besonders gute), keine Beispiele , also kann man natürlich sagen, dass sie nicht dasselbe sind. Sie haben mich gebeten zu erklären, „was Sie mit „aufbauen“ meinen“, und ich habe einfach erklärt, was ich mit „aufbauen“ meinte. Sie argumentieren gegen etwas, das ich nicht gesagt habe. Ich werde woanders nach dem Photonenfluss gegenüber der Temperatur suchen, vielleicht in einem Buch oder einer Zeitung, und es mit Stefan-Boltzmann vergleichen, um zu sehen, ob es eine wesentliche Proportionalitätskonstante gibt, die erforderlich ist, um mit Ihrem einfachen übereinzustimmen σ T 4 Streit.
@uhoh Oder vielleicht könnten Sie Ihre Fragen als Fragen stellen (auf Physics SE).
@RobJeffries Ausgezeichnet! Mal sehen, ob ich die Idee verstanden habe. Wenn die optische Tiefe des Materials etwa ein paar Mikrometer beträgt, bedeutet dies, dass ich, wenn ich mich in der Sonne befinde, das Plasma in einem extrem kleinen kugelförmigen Volumen (Bakteriengröße) um mein Auge und den Rest der Sonne beobachte ist mir verborgen, als gäbe es sie nicht.
Aber da die optische Tiefe mit der Opazität zusammenhängt und wir uns im thermischen Gleichgewicht befinden, bedeutet diese große Opazität, dass die verrückte kleine Plasmakugel um mein Auge auch eine verrückte Menge Energie absorbiert und sich dadurch so stark erhitzt, dass sie so hell oder leuchtet sogar heller als die Oberfläche der Sonne, wenn man sie von außen betrachtet. Ist das korrekt?
Ja. Im Grunde wäre es so, als würde man sich in einer hell erleuchteten Wolke aus dichtem Nebel befinden: Alles, was Sie sehen können, ist der leuchtende Nebel direkt vor Ihren Augen. (Die Mechanismen im Mikromaßstab sind etwas anders, da die Nebeltröpfchen Licht reflektieren und streuen, während die Plasmapartikel es absorbieren und thermisch wieder emittieren, aber das Endergebnis ist das gleiche – ein sehr kurzer mittlerer freier Weg für Photonen.)
@swike Richtig.
Während das Maximum der Wellenlängenverteilung in der Schwarzkörperstrahlung (falls ich jemals ein Oxymoron gesehen habe ...) des Sonnenkerns Röntgenstrahlen wären, gäbe es interessanterweise viel Strahlung bis hinunter zum Radio; insbesondere ist der Kern der Sonne auch im sichtbaren Spektrum heller als die Oberfläche. Siehe ase.tufts.edu/cosmos/view_picture.asp?id=1332 .
"im Vergleich zu den 1400 W/m2, die man bekommt, wenn man direkt in die Sonne schaut." Schauen Sie nicht direkt in die Sonne!
@CJDennis In der Tat. Warnung hinzugefügt.

Opazität und Wärmestrahlung kommen aus einer anderen Richtung als die von @Rob und sind orthogonale Eigenschaften eines Materials. Der Photonenfluss im Inneren der Sonne ist sehr hoch, also ist es definitiv nicht dunkel . Es ist jedoch für praktisch alles Licht außerhalb der Sonne undurchsichtig .

Um eine Analogie zu geben: Wenn Sie sich in einem versiegelten Raum ohne Fenster befinden, können Sie außerhalb des Raums nichts sehen. Schaltet man im Zimmer eine Taschenlampe ein, ist es nicht mehr dunkel, aber nach außen hin immer noch undurchsichtig.

Ist es dunkel in der Sonne?
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