Jaki kolor mają gwiazdy?

Reklama

pt., 04/23/2021 - 19:04 -- MagdalenaL

Słońce nie jest żółte, czerwony olbrzym nie jest czerwony, biały karzeł nie jest biały. Badacze obliczyli kolory gwiazd widziane ludzkim okiem.

Postawmy sprawę jasno: słońce jeszcze nigdy nie było żółte. Przyczyną jego pozornie żółtych promieni, tak jak i pięknej czerwieni o świcie albo zmierzchu, są efekty atmosferyczne. Mimo wszystko nie powinno się jednak sprawdzać tego bezpośrednio: patrzenie na słońce gołym okiem nie jest dobrym pomysłem. „Jednak czasami można dostrzec kawałek słońca przez niezbyt gęstą chmurę, chmura działa wtedy jak szary filtr. Słońce rzeczywiście wydaje się wtedy nie być żółtawe” mówi fizyk Dietrich Zawischa z Uniwersytetu w Hanowerze. „W zakresie naszego postrzegania barw słońce jest białe”.

A jaki kolor mają w takim razie gwiazdy? „W zeszłym roku czytałem artykuł, w którym wyjaśniano, że opisany w nim Czerwony Olbrzym nie jest wcale czerwony, tylko pomarańczowy”, opowiada astrofizyk René Heller z Instytutu badań nad układem słonecznym im. Maxa Plancka w Getyndze. „Wtedy zacząłem myśleć, jak też to wygląda w przypadku innych gwiazd. Czy białe karły rzeczywiście są białe?”

To, czym zajmował się Heller, było właściwie pozornie prostym pytaniem o prawdziwy kolor gwiazd - związanych ze słońcem, na przykład będących poza atmosferą ziemską. Ciekawskie pytanie Hellera, jaki kolor mają w takim razie gwiazdy, przekształciło się w większe badanie, a ostatecznie w fachowy artykuł na ten właśnie temat, który ukazał się niedługo później.

Kolor zależy od temperatury powierzchni

Kiedy przestudiuje się ilustrację bliskiej słońcu gwiazdy w artykule naukowym Jana-Vincenta Harre i René Hellera, nie wydaje się ona jednak biała. Tylko w pewien sposób trochę pomarańczowa. Dlaczego? Pytanie o kolor wydaje się być proste, ponieważ kolor gwiazdy powinien zależeć wyłącznie od temperatury jej powierzchni. Gwiazdy postrzega się mianowicie jako ciała prawie doskonale czarne.

„Ogólnie uważa się, że im silniej ciało promieniuje, tym silniej absorbuje światło”, mówi Dietrich Zawischa. Właśnie dlatego ciało czarne najjaśniej świeci. Stąd mówi się o promieniowaniu ciała doskonale czarnego. A dlaczego także gwiazdy są określane jako ciała doskonale czarne? „Uważa się, że promieniowanie, które trafia na taką kulę gazową, wnika w nią głęboko i prawie w ogóle nie jest odbijane, lub też odwrotnie - kula gazowa jest tak wielka, że ta odrobina promieniowania jest nieistotna w porównaniu z ilością promieniowania obecnego w tej objętości.”, wyjaśnia Zawischa.

Ciało doskonale czarne wysyła światło we wszystkich długościach fali. Zakres jego widma - przedziału, jak dużo światła wysyła w jednej długości fali - jest przy tym zależny od jego temperatury. Im gorętsza gwiazda, tym bardziej maksymalna wartość spektrum przesuwa się ku krótszym długościom fal.

 

Słońce powinno być białe

Słońce powinno być białe, ponieważ jako ciało doskonale czarne emituje światło we wszystkich długościach fal, a jego maksimum znajduje się w widzialnym dla nas obszarze. Natomiast mniejsze gwiazdy są zimniejsze i przez to bardziej czerwone, ponieważ ich maksymalne promieniowanie jest przesunięte do obszaru czerwonego. Największe gwiazdy galaktyki powinny być za to niebieskie, gdyż ich temperatura powierzchniowa jest wielokrotnie wyższa niż słońca.

Jednak jest to idealizowanie, które niekoniecznie opisuje to, co widzą swoimi oczami ludzie. Poza tym prawdziwe widma gwiazd posiadają linie absorpcyjne, czyli przerwy w widmie promieniowania spowodowane jego pochłanianiem. Są to również elementy wynikające z atmosfer gwiazd - na przykład hel, gaz szlachetny, którego istnienie zostało po raz pierwszy wykazane przez jego obecność w widmie słonecznym.

Heller i jego student Jan-Vincent Harre z Uniwersytetu w Getyndze postanowili dowiedzieć się, jakiego koloru naprawdę są gwiazdy, przynajmniej dla ludzkiego oka. Wykorzystali do tego wygenerowane komputerowo widma gwiazd z dwóch modeli, które reprezentowały wszystkie możliwe typy widmowe i zakres temperatur powierzchni od 2 300 do 55 000 Kelwinów.

Widocznych jest nieskończenie wiele długości fal

Aby odkryć, jak ludzkie oko widziałoby widma, skorzystali ze znanych funkcji, żeby ustalić tzw. wartościowość kolorów. Ta mierzy różnicę kolorów w oparciu o fakt, że ludzkie oko nie jest w stanie wykryć spektrum z nieskończoną liczbą długości fal. Opisuje postrzeganie kolorów, jakie wiązka światła o danym spektrum wywołuje w ludzkim oku. Zazwyczaj jest przedstawiana przez trzy wartości liczbowe trzech receptorów barw kolorów czerwonego, zielonego i niebieskiego. Bodźce kolorów o tej samej wartości są dla ludzi nie do odróżnienia w momencie porównywania barw.

W ten sposób Harre i Heller odkryli, że wyidealizowane widmo ciała doskonale czarnego niektórych typów gwiazd jest dokładnie takie - wyidealizowane. „Jest to szczególnie widoczne w przypadku małych gwiazd”, wyjaśnia Heller. Właśnie chłodniejsze „czerwone” karły o temperaturze powierzchni wynoszącej ok. 3 000 Kelwinów wydają nam się raczej pomarańczowe, ponieważ ich atmosfery absorbują część emitowanego światła czerwonego. Ciało doskonale czarne tak nie robi. Natomiast białe karły, pozostałości po gwiazdach o niskiej masie, zasługiwały na swoje miano tylko na początku swojej kariery. Z biegiem czasu ochładzają się, a za kilka miliardów lat również będą nam się wydawały pomarańczowe.

A co ze słońcem? „Słońce jest takim częściowo ciałem doskonale czarnym”, wyjaśnia Heller. „Jest prawie białe. Ale ma odrobinę pomarańczowego odcienia. W jego barwie jest więc trochę więcej czerwonego niż niebieskiego i zielonego”. Rzeczywiście, kiedy zajrzy się do artykułu, przy gwieździe o typie widmowym G2V, odpowiadającym typowi słońca, podano: 1,0 dla czerwonego, 0,931 dla zielonego i 0,905 dla niebieskiego w przestrzeni kolorów RGB. W zapisie heksadecymalnym pasującym do tego kolorem jest #ffede6 - i nie jest to biały.

Także różne metaliczności mają wpływ na kolor gwiazd. Metaliczność oznacza zawartość pierwiastków cięższych od wodoru i helu w atmosferze gwiazdy. Pierwsze gwiazdy w historii kosmosu wykazują mniej ciężkich pierwiastków niż ich młodsze koleżanki. „Jednak te różnice są tak niewielkie, że tylko komputer może stwierdzić, że czysto teoretycznie mają inny kolor. Czy potrafilibyśmy stwierdzić różnicę ludzkim okiem jest wysoce wątpliwe”, mówi Heller.

Kolejne odkrycie: zielonych gwiazd nie ma. „Żeby gwiazda wydawała nam się zielona lub chociaż zielonkawa, musiałaby promieniować znacznie silniej w zakresie średnich widzialnych długości fal niż w zakresie fal długich i krótkich.”, wyjaśnia Dietrich Zawischa. „I nawet jeśli wykazaliśmy, że gwiazdy często nie zachowują się jak ciała doskonale czarne, to przynajmniej nie promieniują w funkcji skokowej” mówi Heller i uśmiecha się. Tak samo jest w przypadku kolorów cyjanu, fioletowego i żółtego. Domniemane żółte słońce jest już ostatecznie historią.

Autor: 
Franziska Konitzer / Tłumaczenie: Joanna Niemczyk
Dział: 

Reklama