[Перевод] Какого цвета Солнце на самом деле? Объясняет астрофизик
Если поговорка «видеть — значит верить» и верна, то как раз в том случае, когда мы имеем дело со светом, попадающим в наши глаза. В конце концов, это само определение того, что значит, с человеческой точки зрения, для нас видеть что-либо. И всё же люди почему-то ведутся на очень, очень сомнительное утверждение, что Солнце «на самом деле» — это звезда зелёного цвета.
Если вы раньше открывали глаза, видели Солнце и видели предметы зелёного цвета, то вы знаете из своего личного опыта, что Солнце на самом деле не зелёное. Так как же получается, что умные люди убеждают себя в том, что Солнце действительно имеет сине-зелёный оттенок?
В этом абсурдном утверждении — и будьте уверены, оно абсурдно — кроется крошечное ядро истины: Солнце содержит большее количество фотонов «зеленого света», чем фотонов любой другой длины волны (т.е. цвета). Но просто наличие пика длины волны в спектре света, или максимальная интенсивность на заданной частоте, или большее количество фотонов в определённом цветовом диапазоне — этого недостаточно, чтобы определить, какого цвета объект, даже такой объект, как Солнце, в действительности. Солнце, как вам говорят ваши глаза, действительно белая звезда, что может продемонстрировать простейший эксперимент.
Как ведёт себя луч солнечного света — возможно, самый яркий пример белого света — при прохождении через призму. Волны света разных энергий движется с разной скоростью через среду, но как все они движутся с одинаковой скоростью через вакуум, поэтому свет, не проходящий через преломляющую среду, остаётся белым.
Что это за эксперимент?
Он очень прост: возьмите вещество, способное одинаково хорошо отражать все существующие длины волн света (видимого для человека), посветите на него светом, цвет которого вы хотите измерить, а затем с помощью глаз определите, какой цвет вы видите, когда этот свет освещает вашу отражающую поверхность.
Где же найти это мистическое вещество, которое одинаково хорошо отражает все длины волн видимого света?
Всё очень просто: подойдёт любой твёрдый, идеально белый предмет. Ярко-белый лист бумаги, окрашенный в белый цвет участок стены, белая доска или даже белый цветок, полотенце или простыня подойдут как нельзя лучше.
Если на него посветить красным светом, он покажется красным, потому что отражает красный свет. Если посветить зелёным, или жёлтым, или розовым, или пурпурным, или оранжевым светом, то результат будет именно таким, как вы и ожидали: он отражает цвет света, который вы на него направили, и, следовательно, сам принимает этот цвет.
Если провести эксперимент, то, например, взять на улице белый лист бумаги и держать его так, чтобы на него падал прямой солнечный свет, то простое наблюдение за видимым цветом бумаги позволит определить, какого цвета Солнце. Если только вы не смотрите на него на восходе или закате, во время полного солнечного затмения или в условиях сильного загрязнения неба (например, в сезон лесных пожаров), цвет бумаги будет однозначно белым — по крайней мере, для ваших глаз.
Лист белой бумаги под прямыми лучами солнца. Если бы солнечный свет был какого-либо другого цвета, кроме белого, эта бумага приобрела бы цвет этого света; тот факт, что она по-прежнему выглядит белой, является отличным признаком того, что солнечный свет тоже белый.
На самом деле астрономы часто говорят, что «зелёных» звёзд не существует, именно благодаря тесту такого типа. Если бы вы провели подобный эксперимент с любой звездой в пределах известной Вселенной, то обнаружили бы, что существует лишь ограниченный набор цветов звёзд.
Для маломассивных звёзд, таких как красные карлики или ещё более холодные классы звёзд (например, класс «несостоявшихся звёзд», известный как коричневые карлики), характерна гамма цветов, зависящая от их температуры: самые низкотемпературные объекты при температуре 800–1600 К имеют слабый румяно-коричневый цвет, который при более высоких температурах (1600–2700 К) переходит в глубокий, заметный красный.
При переходе к более высоким звёздным массам (или более развитым звёздам-гигантам/сверхгигантам) можно найти звёзды с температурой ~2700–4000 К, которые выглядят красно-оранжевыми в нижней части и оранжево-жёлтыми в верхней части диаграммы, как Арктур или Альдебаран.
При повышении температуры звезды в диапазоне ~4000–5000 К цвет становится более жёлтым или жёлто-белым, как, например, у яркой звезды Поллукс. Такие условия освещения мы наблюдаем на Земле в периоды, соответствующие раннему утру и позднему вечеру: атмосфера блокирует значительную часть света с наименьшей длиной волны, оставляя более длинноволновый свет.
При температурах примерно от 5000 до 6000 К, к которым относится наше Солнце и подобные ему звёзды, цветовая картина имеет вид от желтовато-белого до белого, к которому относится не только Солнце, но и многие яркие звёзды, в том числе и Капелла.
Затем, чем выше 6000 К находится звезда, цвет начинает приобретать сначала голубой, а затем более яркий синий оттенок, как, например, у ярких звёзд Кастор, Ригель и самой яркой из всех видимых с Земли звёзд — Сириуса.
Двойная звезда Альбирео, показанная ниже, представляет собой прекрасный пример двух очень близко расположенных звёзд с совершенно разными цветотемпературными характеристиками: менее яркая голубая звезда имеет температуру около 13 000 К, а её более яркая жёлтая звезда имеет температуру всего около 4 400 К.
Звезда Альбирео, узнаваемая по расположению в основании «Северного креста» в астеризме, известном как Летний Треугольник, легко разрешается на два компонента с помощью небольшого телескопа или бинокля. Более яркая жёлтая звезда имеет температуру около 4 400 К, а более тусклая голубая звезда гораздо горячее — около 13 000 К. Разница в цвете возникает из-за разницы температур между звёздами. Альбирео считается широкой двойной звездой, но, несмотря на то, что уже несколько столетий известно, что она состоит из двух звёзд, вопрос о том, связана ли она гравитационно или нет, до сих пор иногда обсуждается.
Вот и всё. Когда речь идёт о звёздах, то можно выбрать только коричнево-красный, красный, оранжевый, жёлтый, белый, голубовато-белый, синий, и больше никаких вариантов. Это единственные цвета звёзд, которые вообще бывают, без каких-либо более экзотических цветов, на которые можно было бы рассчитывать. Не существует звёзд любого другого цвета — будь то фиолетовый, зелёный, розовый, пурпурный, бордовый, шартрез, аквамарин и многие другие.
Причина, по которой так много людей ошибаются в этом вопросе — и даже, если хорошенько поискать, можно найти страницы NASA, на которых это тоже неверно, — заключается в том, что они смешивают два явления: цвет объекта и длину волны света, соответствующую некоему «пику» в спектре объекта.
Существует физическое обстоятельство, при котором можно напрямую сопоставить «длину волны света» с «цветом», но это относительно редкое обстоятельство: только при наличии монохроматического света, или когда все фотоны (или частицы света), исходящие от источника света, имеют одинаковую, точную длину волны. Это обстоятельство часто возникает при работе с лазерным излучением или некоторыми классами светодиодов, которые могут иметь одну длину волны красного, жёлтого, зелёного, синего, фиолетового и других цветов, но это, как правило, не относится к свету, исходящему от звёзд.
Набор лазерных указок Q-line демонстрирует разнообразие цветов и компактные размеры, ставшие сегодня привычными для лазеров. Переведя электроны в возбуждённое состояние и стимулировав их фотоном нужной длины волны, можно вызвать излучение другого фотона точно такой же энергии и длины волны. Именно таким образом и создаётся свет для лазера: путём вынужденной эмиссии излучения.
В отличие от лазеров и других источников монохроматического света, свет реальных звёзд состоит из излучения, имеющего огромный диапазон длин волн, зависящий от температуры звезды.
Любой объект, нагретый до определённой температуры, испускает излучение с различными длинами волн и частотами, причём интенсивность излучения достигает максимума на более коротких длинах волн, более высоких энергиях и более высоких частотах по мере повышения температуры объекта. Именно поэтому металлический котелок, нагретый на плите, станет горячим задолго до того, как вы сможете увидеть его свечение, поскольку пик интенсивности излучения приходится на инфракрасный спектр, который мы ощущаем как тепло.
По мере повышения температуры объект становится всё более горячим, и пиковая длина волны, которую он излучает, смещается в сторону более коротких волн — в видимую часть спектра. Интересно, что более горячие объекты продолжают выдавать больше излучения, чем более холодные, на всех длинах волн, даже в том диапазоне длин волн, где у более холодного объекта наблюдается пик интенсивности. Чем больше тепла содержит объект, тем большее количество энергии он излучает на всех длинах волн и тем короче будет пик его интенсивности. В самом идеализированном газе этот объект также будет идеальным поглотителем всего внешнего излучения. В этом случае его излучение будет иметь явно выраженный спектр — спектр абсолютно чёрного тела, который служит отличным приближением для спектра большинства звёзд.
Один и тот же объём вещества, нагретый до разных температур, будет излучать различный спектр света. При более высоких температурах пик излучения смещается к более коротким длинам волн, однако цвет объекта определяется именно всем спектром излучения видимого света, а не только пиком спектра.
Если говорить ещё более подробно, то оказывается, что Солнце (или любая другая звезда) не является истинным чёрным телом, поскольку не имеет твёрдой, идеально поглощающей поверхности для излучения. Вместо этого у звёзд есть фотосферы, полупрозрачные для света; они хорошо поглощают свет, но при этом имеют низкую плотность и градиент температуры. Чем дальше от центра звезды, тем холоднее, что имеет большое значение для медленно вращающихся звёзд, таких как Солнце, но ещё большее — для быстро вращающихся, таких как близкая яркая звезда Вега.
Лишь небольшая часть энергии, которую мы получаем от Солнца, излучается с самого края фотосферы; большая часть воспринимаемого нами света исходит из глубин Солнца на несколько сотен или даже тысяч километров вниз. Поскольку там жарче, свет Солнца ведёт себя не как единое «чёрное тело» при одной температуре, а как сумма чёрных тел в диапазоне температур от ~5700 K до почти 7000 K в глубине Солнца.
Для быстро вращающихся звёзд, таких как Вега, температура не остаётся равномерной по всей звезде, а сама звезда, подобно Земле, сжата на полюсах и выпукла на экваторе. В результате температура в полярных областях может быть на несколько тысяч градусов выше, чем в более удалённых от центра экваториальных областях.
Реальный свет Солнца (жёлтая кривая, слева) в сравнении с идеальным чёрным телом (серый цвет) показывает, что Солнце представляет собой скорее ряд чёрных тел из-за толщины его фотосферы; справа — реальное идеальное чёрное тело реликтового излучения, измеренное спутником COBE. Обратите внимание, что «полосы ошибок» справа составляют поразительные 400 сигм. Согласие между теорией и наблюдениями здесь историческое, а пик наблюдаемого спектра определяет остаточную температуру реликтового излучения: 2,73 К.
Мы обнаружили большое разнообразие звёзд по их массам, температурам, яркости и многим другим свойствам. Мы узнали, что звезда может иметь пик интенсивности на любой длине волны, в том числе во всём видимом спектре света (от фиолетового до красного) или даже за его пределами, например в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазоне, в том числе очень далеко в этих невидимых диапазонах волн.
Но не поддавайтесь искушению спутать «место пика длины волны» с цветом; поскольку мы имеем дело не с монохроматическим светом, это просто некорректно называть цветом звезды. На самом деле никакого «цвета» не существует независимо от нашего человеческого восприятия, и для этого необходимо понять, что является цветом для человека: реакция колбочек в наших глазах и интерпретация этих реакций нашим мозгом.
В обычном человеческом глазу есть три типа колбочек и один тип палочек. Палочки видят только яркость (свойство монохрома) и являются наиболее удобным инструментом в условиях низкой освещённости и в периферийном зрении. Колбочки, напротив, расположены в основном в поле зрения, обращённом вперёд, и лучше всего работают в условиях яркого света (например, днём); они бывают трёх видов: S, M и L, что соответствует короткой, средней и длинной длине волны.
Три типа колбочек в глазах человека — S, M и L — показаны с указанием диапазона длин волн, на которые они реагируют: короткие, средние и длинные волны. У некоторых людей отсутствует один тип колбочек, что делает их дальтониками, а некоторые люди имеют четыре типа колбочек и могут видеть больше цветов, чем все остальные: тетрахроматы.
Относительная величина реакции каждого из трёх типов колбочек позволяет нашему мозгу интерпретировать цвет объектов и даже видеть составные цвета: цвета, которые не входят в спектр видимого света, но существуют в природе как комбинации различных длин волн света, суммированных вместе. Например, розовый цвет — это белый свет с дополнительной красной составляющей. Пурпурный свет представляет собой комбинацию синего/фиолетового и красного света, поэтому свет, оптимизированный для роста растений (т.е. поглощаемый молекулами хлорофилла А и В), имеет такой оттенок. А коричневый цвет, например, представляет собой смесь большего количества красного света с меньшим количеством зелёного/жёлтого света, но с меньшим количеством синего света.
Солнце, представляющее собой смесь всех различных цветов света, является самым ярким примером «белого света», способного поглощать и/или отражать свет любой длины волны (или комбинации длин волн). Однако то, что в его состав входит зелёный свет, не делает его зелёным: во Вселенной нет звёзд, которые человеческий глаз воспринимал бы как зелёные.
Однако некоторые природные явления действительно имеют зелёный цвет, например, полярное сияние, светящиеся зелёным планетарные туманности или так называемые зелёные горошины галактик, которые мы видим в космосе. Причина зелёного цвета этих явлений заключается в том, что их свет возникает в результате специфического перехода электронов в ионах дважды ионизированного кислорода, который происходит на монохроматической длине волны: 500,7 нанометра, что очень близко к зелёному цвету.
Вокруг различных звёздных останков и умирающих звёзд дважды ионизованные атомы кислорода дают характерное зеленое свечение, поскольку электроны при нагреве до температуры ~50 000 К каскадно спускаются по различным энергетическим уровням. Здесь ярко светится планетарная туманность IC 1295. Это явление также способствует окраске так называемых «зелёных горошин» галактик, а также земных аврор.
Учитывая, что Солнце действительно излучает белый свет, может показаться странным, что оно не всегда выглядит белым. На это есть веская причина: очень немногие из нас имеют возможность наблюдать Солнце из вакуума космоса. Напротив, почти все мы находимся здесь, на поверхности Земли, и поэтому видим свет Солнца только в том виде, в котором он проходит через земную атмосферу.
Атмосфера Земли состоит из частиц, и эти молекулы могут рассеивать свет. В частности, они рассеивают свет разных длин волн с разной эффективностью: более коротковолновый свет, например голубой и фиолетовый, рассеивается легче, а более длинноволновый, например оранжевый и красный, рассеивается хуже. Небо кажется голубым, например, потому, что голубой свет Солнца рассеивается в атмосфере в разных направлениях.
Когда Солнце находится высоко над горизонтом, свет проходит лишь через небольшую часть земной атмосферы и кажется белым. По мере опускания ближе к горизонту его температура становится ниже, и на закате/восходе оно кажется красным, а по мере подъёма выше — оранжевым, жёлтым и, в конце концов, белым, как и Луна. При очень благоприятных обстоятельствах в момент восхода или захода Солнца или Луны над ним можно увидеть небольшую «вспышку» зеленого или даже синего света, поскольку эти более короткие волны при прохождении через атмосферу Земли могут «изгибаться» чуть сильнее, чем более длинные жёлтые, оранжевые и красные.
Когда Солнце заходит за горизонт, последние остатки его света отклоняются земной атмосферой. Голубые и зелёные лучи Солнца изгибаются несколько сильнее, чем более длинные волны, что приводит к оптическому явлению, известному как «зелёный луч» над остальной частью солнечного диска.
Однако простое выделение зелёной части излучаемого Солнцем света при соответствующих условиях не означает, что наше Солнце действительно является зеленой звездой. Хотя некоторые до сих пор называют наше Солнце звездой типа «жёлтый карлик», на самом деле наше Солнце — самое белое из известных нам светил. Мы не случайно видим солнечный свет белым, поскольку наши глаза и колбочки в них произошли от более ранних форм жизни, которые всегда знали Солнце, очень похожее на то, которое мы видим сегодня. Возможно, если бы мы появились на свет около более горячей или более холодной звезды, мы бы эволюционировали с глазами, колбочками и мозгом, которые интерпретировали бы свет любого цвета, излучаемый местной звездой, как «белый».
Но причина, которую люди приводят для обоснования утверждения, что «звёзды зелёные», в корне неверна, поскольку «пик длины волны» имеет очень и очень мало общего с тем, что на самом деле представляет собой внутренний цвет объекта или совокупности форм света. Понятия «длина волны» и «цвет» могут использоваться как взаимозаменяемые только в случае чисто монохроматического света. Если же свет состоит из множества различных длин волн, то такое упрощённое определение просто не годится: цвет для нашего глаза — это очень человеческое понятие. Это тот случай, когда действительно можно поверить своим глазам: хотя солнечный свет содержит зелёный цвет, он содержит и все остальные цвета. Если всё это суммировать — что наши глаза и мозг делают автоматически, — то получится просто белый цвет.
