Внутри Солнца темно?

Это может показаться странным вопросом, но недавно что-то заставило меня задуматься об этом.

Непрозрачность плазмы внутри звезд может быть довольно высокой, что приводит к сокращению свободного пробега фотонов. Я предполагаю, что в этих условиях свет, который вы теоретически могли бы собрать, предполагая, что у вас есть пара неразрушимых глаз, погруженных в недра Солнца, будет светом, излучаемым плазмой в вашем непосредственном окружении, верно? Так что, если непрозрачность достаточно высока, я могу представить себе места внутри звезды, подобной Солнцу, где окружающее освещение такое же, как в типичную безлунную ночь здесь, на Земле.

Мои вопросы:

  • Верна ли эта линия рассуждений?
  • Возможны ли такие условия внутри звезды?
  • Где именно внутри звезды возможны эти условия?

Ответ ProfRob дал отличный ответ, как всегда, но если кому-то нужно краткое изложение, мы говорили об этом:

Если оптическая толщина солнечной плазмы составляет около нескольких микрометров, это означает, что, когда я нахожусь внутри Солнца, я наблюдаю плазму только в очень маленьком сферическом объеме (фактически размером с бактерию) вокруг моего глаза и что остальное Солнце скрыто от меня, как будто его и не было. Никакие фотоны за пределами этого крошечного объема вокруг моих глаз не достигнут их. Это из-за высокой непрозрачности.

Но из-за непрозрачности мы также знаем, что плазма в этом крошечном объеме должна поглощать много света, и эта энергия повышает температуру плазмы. Возможно, вы не видите много материала, но этот материал поглощает так много света из окружающей среды, что сам переизлучает свет в виде теплового излучения. Плазма на самом деле является излучателем черного тела.

В тепловом равновесии поглощаемая энергия (непрозрачной плазмой) такая же, как излучаемая (как излучение черного тела). Таким образом, если бы мы находились вне теплового равновесия, как во время вспышки сверхновой, мы могли бы получить другой результат.

В любом случае то, что вы увидели бы, если бы ваши глаза находились внутри звездной плазмы, было бы таким же, как если бы вы прижали свои глазные яблоки к поверхности звезды (при условии, что температура внутри такая же, как и на поверхности, которая верно только для небольшой глубины (по мере погружения температура увеличивается, и вы бы видели ее еще ярче).

Полезно подумать: если ваши нерушимые глазные яблоки забить в раскаленный докрасна железный стержень (постоянной температуры), смогут ли они по-прежнему видеть красный свет от железа?
@ivella макание в светящийся люминол может быть лучшей (и менее болезненной) параллелью, чем забивание железного прута.
@Mindwin, но процесс, который заставляет железо светиться красным, такой же, как и солнце: излучение черного тела.
Может быть, проще: «темный» подразумевает отсутствие фотонов. Фотонов очень много , поэтому темноты быть не может.
Ночью это.
Излучение черного тела не является «процессом».
«темный» подразумевает отсутствие фотонов ... Я бы подумал, что «темный» подразумевает отсутствие фотонов в видимом спектре.

Ответы (2)

Нет, это не так. Поле излучения в недрах Солнца очень близко к спектру абсолютно черного тела.

Если вы посмотрите в любом конкретном направлении, яркость (мощность на единицу площади), которую вы увидите, равна о Т 4 , где о постоянная Стефана. Даже на любой конкретной длине волны черное тело с более высокой температурой всегда ярче, чем черное тело с более низкой температурой.

Учитывая, что внутренняя температура может быть 10 7   К , то поверхностная яркость 5.7 × 10 20   Вт / м 2 , по сравнению с 1400   Вт / м 2 вы получите, глядя прямо на Солнце ( пожалуйста, не делайте этого ). Обратите внимание, что большая часть этой мощности приходится на длину волны рентгеновского излучения, но из-за свойств абсолютно черного тела яркость на видимой длине волны все же будет намного ярче, чем у солнечной фотосферы (см. ниже).

Возможным источником путаницы является этот термин «непрозрачность». Когда вещи находятся в тепловом равновесии, каковым является внутренняя часть Солнца, тогда они испускают столько же радиации, сколько и поглощают. Таким образом, высокая непрозрачность также означает высокую излучательную способность.

Подробности для интереса:

непрозрачность, κ в солнечных недрах колеблется от 1 см 2 г в центре примерно 10 5 см 2 g чуть ниже фотосферы. Чтобы оценить длину свободного пробега фотонов, нам нужно умножить ее на плотность р и возьмем обратное:

л ¯ "=" 1 κ р   .
Плотность варьируется от 160 г/см 3 в центре примерно до 0,001 г/см 3 чуть ниже фотосферы. Таким образом, длина свободного пробега составляет около 6 микрометров в центре и на самом деле очень похожа сразу под фотосферой (максимум составляет около 2 мм примерно на трех четвертях пути к поверхности).

Таким образом, ваш "вид" на звездные недра представляет собой туманную сферу радиусом не более нескольких раз л ¯ . Однако туман чрезвычайно яркий, как описано выше.

Яркость на определенных длинах волн пропорциональна функции Планка.

Б λ "=" 2 час с 2 λ 5 ( 1 опыт ⁡ ( час с / λ к Б Т ) − 1 ) .

Таким образом, в λ "=" 500 нм (видимый свет), отношение яркости абсолютно черного тела при 10 7 К (солнечная внутренняя часть) до 6000 К (солнечная фотосфера) составляет 4.2 × 10 4 . т.е. даже если рассматривать только видимые длины волн, внутренняя часть Солнца примерно в 40 000 раз ярче, чем фотосфера.

Поскольку длина свободного пробега очень мала в областях с высокой плотностью, фотоны «скапливаются» внутри. При использовании для оценки потока фотонов или поля излучения нужно ли как-то корректировать закон Стефана-Больцмана, чтобы учесть это? Кстати, существует ли спектр фотонов черного тела внутри твердого тела? нужен лучший ответ и близок ли спектр видимого света от «раскаленного стекла» к излучению черного тела? мог бы также использовать некоторый обзор.
вопрос о стекле все еще беспокоит меня; как видимая часть спектра может быть черным телом, если стекло не черное в видимом свете (вы все еще можете видеть сквозь него, когда оно горячее). Я предполагаю, что это происходит все время в астрономии...
@uhoh и я ответил, что там. Если вы можете видеть сквозь него, значит, он не излучает излучение абсолютно черного тела. Если поглощение зависит от длины волны i, то его спектр может иметь форму черного тела.
@uhoh Я не знаю, что вы подразумеваете под «наращиванием». Плотность энергии поля излучения также пропорциональна Т 4 . Он совершенно не зависит от длины свободного пробега или любого другого свойства газа, его производящего.
Эталон не является хорошей аналогией, но может помочь просто прояснить, что я имею в виду под «наращиванием». Возможно, интегрирующая сфера — другой, но столь же несовершенный пример. Если я направлю 1 ватт света на один конец эталона, я соберу (почти) 1 ватт на другом. Но если бы я измерял поток фотонов внутри длинного Эталона, используя что-то с небольшим датчиком, который измеряет только с одной стороны, и использовал его для оценки потока фотонов, я бы сказал, что поток соответствует 100 или 1000 Вт, а не 1 Вт. . Это происходит из-за «накопления» фотонов.
Я не говорю, что 5,7E+20 обязательно далеко, и я не говорю, что число не будет пропорционально Т 4 , меня интересует мультипликативная константа для потока фотонов из-за сильного рассеяния/очень короткого свободного пробега. Предположим, я делаю следующее; поместите фотодиод в середину раскаленного докрасна стеклянного шара и проведите измерение. Затем я помещаю все это в центр более крупной сферы с матовой поверхностью с высокой отражающей способностью, чтобы свет «накапливался» за счет десятков или сотен рассеяний. Показания моего счетчика в центре моей стеклянной сферы увеличатся!
@uhoh черное тело поглощает все падающие на него фотоны. Он не отражает ни одного из них. Эталоны, как правило, однотонные. Ничего похожего на излучение черного тела. Ваш второй пример не обеспечивает никакого равновесия; тоже не черное тело.
Хорошо, я сказал, что это «аналогии» (и не очень хорошие), а не примеры , поэтому, конечно, вы можете сказать, что это не одно и то же. Вы попросили меня объяснить, «что вы подразумеваете под «наращиванием»», и я просто объяснил, что имел в виду под «наращиванием». Вы спорите с тем, чего я не говорил. Я поищу зависимость потока фотонов от температуры в другом месте, возможно, в книге или бумаге, и сравню ее со Стефаном-Больцманом, чтобы увидеть, требуется ли существенная константа пропорциональности, чтобы соответствовать вашему простому о Т 4 аргумент.
@uhoh Или, возможно, вы могли бы задавать свои вопросы как вопросы (по физике SE).
@RobJeffries Отлично! Посмотрим, уловил ли я идею. Если оптическая толщина материала составляет около нескольких микрометров, это означает, что, когда я нахожусь внутри Солнца, я наблюдаю плазму в чрезвычайно маленьком сферическом объеме (размером с бактерию) вокруг моего глаза, а остальная часть Солнца скрыто от меня, как будто его и не было.
Но поскольку оптическая глубина связана с непрозрачностью, а мы находимся в тепловом равновесии, эта большая непрозрачность означает, что безумно маленькая сфера плазмы вокруг моего глаза также поглощает безумно большое количество энергии и, таким образом, нагревается так сильно, что светится так же ярко или даже ярче, чем поверхность Солнца, если смотреть снаружи. Это верно?
Да. По сути, это было бы похоже на нахождение внутри ярко освещенного облака густого тумана: все, что вы можете видеть, это светящийся туман прямо перед вашими глазами. (Микромасштабные механизмы немного отличаются в том смысле, что капли тумана отражают и рассеивают свет, в то время как частицы плазмы поглощают и термически переизлучают его, но конечный результат один и тот же — длина свободного пробега фотонов очень мала.)
@swike Верно.
Интересно, что в то время как максимальное распределение длин волн в излучении черного тела (если я когда-либо видел оксюморон...) ядра Солнца было бы рентгеновским излучением, было бы много излучения вплоть до радио; в частности, солнечное ядро ​​также ярче поверхности в видимом спектре. См. ase.tufts.edu/cosmos/view_picture.asp?id=1332 .
«по сравнению с 1400 Вт/м2, которые вы получаете, глядя прямо на Солнце». Не смотрите прямо на Солнце!
@CJDennis Действительно. Добавлено предупреждение.

Исходя из другого направления, как у @Rob, непрозрачность и тепловое излучение являются ортогональными свойствами материала. Поток фотонов в недрах Солнца очень высок, так что там определенно не темно . Однако он непроницаем практически для всего света за пределами солнца.

Проведем аналогию: если вы находитесь в запечатанной комнате без окон, вы ничего не видите за пределами комнаты. Если вы включите фонарик в комнате, она перестанет быть темной, но по-прежнему непрозрачной для внешнего мира.

Внутри Солнца темно?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v