¿Está oscuro dentro del Sol?

Esto puede parecer una pregunta extraña, pero algo me hizo pensar en ello recientemente.

La opacidad del plasma en los interiores estelares puede llegar a ser bastante alta, lo que genera caminos libres más cortos para los fotones. En estas condiciones supongo que la luz que teóricamente podrías recoger, suponiendo que tienes un par de ojos indestructibles sumergidos en el interior solar, sería la que emite el plasma en tu entorno inmediato, ¿no? Entonces, si la opacidad es lo suficientemente alta, puedo imaginar lugares dentro de una estrella como el Sol donde hay la misma iluminación ambiental que una típica noche sin luna aquí en la Tierra.

Mis preguntas son:

  • ¿Es correcta esta línea de razonamiento?
  • ¿Son estas condiciones realmente posibles dentro de una estrella?
  • ¿Dónde exactamente dentro de una estrella son posibles estas condiciones?

La respuesta ProfRob dio una excelente respuesta, como siempre, pero en caso de que alguien quiera un resumen en lenguaje sencillo, hablamos de esto:

Si la profundidad óptica del plasma solar es de unos pocos micrómetros, esto significa que, cuando estoy dentro del Sol, observo el plasma solo en un volumen esférico extremadamente pequeño (de hecho, del tamaño de una bacteria) alrededor de mi ojo y que el resto del Sol se me oculta, como si no existiera. Ningún fotón fuera de ese volumen extremadamente pequeño alrededor de mis ojos los alcanzará. Esto se debe a que hay una alta opacidad.

Pero debido a la opacidad también sabemos que el plasma en ese pequeño volumen debe absorber mucha luz, y esa energía eleva la temperatura del plasma. Es posible que no esté viendo mucho material, pero este material absorbe tanta luz de los alrededores que él mismo vuelve a emitir luz en forma de radiación térmica. El plasma es de hecho un radiador de cuerpo negro.

En equilibrio térmico la energía absorbida (por el plasma opaco) es la misma que la emitida (como radiación de cuerpo negro). Por lo tanto, si estuviéramos fuera del equilibrio térmico, como durante un evento de supernova, podríamos obtener un resultado diferente.

En cualquier caso, lo que vería si sus ojos estuvieran dentro del plasma estelar es lo mismo que vería si presionara sus globos oculares contra la superficie de una estrella (asumiendo que la temperatura en el interior es la misma que la de la superficie, lo cual solo es cierto para una pequeña profundidad (a medida que profundiza, la temperatura aumenta y lo verá aún más brillante).

Ayuda pensar: si sus globos oculares indestructibles fueran martillados en una barra de hierro al rojo vivo (temperatura constante), ¿seguiría siendo capaz de ver la luz roja del hierro?
@ivella sumergirse en luminol brillante podría ser un paralelo mejor (y menos doloroso) que martillar una barra de hierro.
@Mindwin, pero el proceso que hace que el hierro brille de color rojo es el mismo que hace que el sol brille: radiación de cuerpo negro.
Tal vez una forma más simple: "oscuro" implica que no hay fotones. Hay muchísimos fotones , así que no puede estar oscuro.
De noche lo es.
La radiación de cuerpo negro no es un "proceso".
"oscuro" implica que no hay fotones ... habría pensado que "oscuro" implica que no hay fotones en el espectro visible

Respuestas (2)

No, no es. El campo de radiación en el interior del Sol está muy cerca de un espectro de cuerpo negro.

Si mira en una dirección en particular, el brillo (potencia por unidad de área) que ve es σ T 4 , dónde σ es la constante de Stefan. Incluso a cualquier longitud de onda en particular, siempre ocurre que un cuerpo negro de temperatura más alta es más brillante que un cuerpo negro a temperatura más baja.

Dado que la temperatura interior puede ser 10 7   k , entonces el brillo de la superficie es 5.7 × 10 20   W / metro 2 , en comparación con el 1400   W / metro 2 obtendrías mirando directamente al Sol ( por favor, no hagas esto ). Tenga en cuenta que la mayor parte de esta energía proviene de las longitudes de onda de los rayos X, pero debido a las propiedades de un cuerpo negro, el brillo en las longitudes de onda visibles seguirá siendo mucho más brillante que el de la fotosfera solar (ver más abajo).

Una posible fuente de confusión es este término "opacidad". Cuando las cosas están en equilibrio térmico, que es el interior del Sol, emiten la misma cantidad de radiación que absorben. Entonces, una alta opacidad también significa una alta emisividad.

Detalles de interés:

la opacidad, k en el interior solar oscila entre 1 cm 2 g en el centro a aproximadamente 10 5 cm 2 g justo debajo de la fotosfera. Para estimar el camino libre medio de los fotones necesitamos multiplicar esto por la densidad ρ y toma el recíproco:

yo ¯ = 1 k ρ   .
La densidad varía de 160 g/cm 3 en el centro a alrededor de 0,001 g/cm 3 justo debajo de la fotosfera. Por lo tanto, el camino libre medio es de unos 6 micrómetros en el centro y en realidad es bastante similar justo debajo de la fotosfera (tiene un pico de alrededor de 2 mm alrededor de las tres cuartas partes del camino hacia la superficie).

Por lo tanto, su "vista" del interior estelar es una esfera de niebla con un radio de no más de unas pocas veces yo ¯ . Sin embargo, la niebla es tremendamente brillante, como se describe anteriormente.

El brillo en longitudes de onda particulares es proporcional a la función de Planck

B λ = 2 h C 2 λ 5 ( 1 Exp ⁡ ( h C / λ k B T ) − 1 ) .

Así en λ = 500 nm (luz visible), la relación de brillo de los cuerpos negros en 10 7 K (interior solar) a 6000 K (fotosfera solar) es 4.2 × 10 4 . es decir, incluso sólo considerado en longitudes de onda visibles, el interior del Sol es unas 40.000 veces más brillante que la fotosfera.

Dado que el camino libre medio es tan corto en las áreas de alta densidad, los fotones se "acumulan" en el interior. Cuando se usa para estimar el flujo de fotones o el campo de radiación, ¿debe ajustarse la ley de Stefan-Boltzmann de alguna manera para tener esto en cuenta? Por cierto, ¿hay un espectro de fotones de cuerpo negro dentro de un sólido? necesita una mejor respuesta y ¿ el espectro de luz visible del "vidrio al rojo vivo" está al menos cerca de la radiación de cuerpo negro? podría usar alguna revisión también.
la cuestión del vidrio todavía me molesta; ¿Cómo puede la parte visible del espectro ser un cuerpo negro si el vidrio no es negro en la luz visible (aún se puede ver a través de él cuando hace calor)? Supongo que esto sucede todo el tiempo en astronomía...
@uhoh y yo respondimos eso allí. Si puede ver a través de él, entonces no está emitiendo radiación de cuerpo negro. Si la absorción depende de la longitud de onda, entonces su espectro puede tener la forma de un cuerpo negro.
@uhoh No sé a qué te refieres con "construir". La densidad de energía del campo de radiación también es proporcional a T 4 . Es totalmente independiente del camino libre medio o de cualquier otra propiedad del gas que lo produce.
Un Etalon no es una buena analogía, pero puede ayudar a aclarar lo que quiero decir con "construir". Quizás una esfera integradora sea un ejemplo diferente pero igualmente imperfecto. Si hago brillar 1 vatio de luz en un extremo de un etalón, recogeré (casi) 1 vatio en el otro. Pero si tomé una muestra del flujo de fotones dentro de un Etalon largo usando algo con un sensor pequeño que mide solo desde un lado y lo usé para estimar el flujo de fotones, diría que el flujo es consistente con 100 o 1000 Watts, no 1 Watt . Esto se debe a la "acumulación" de fotones.
No estoy diciendo que 5.7E+20 esté necesariamente muy lejos, y no estoy diciendo que el número no sería proporcional a T 4 , me pregunto acerca de una constante multiplicativa para el flujo de fotones debido a la fuerte dispersión/camino libre medio muy corto. Supongamos que hago lo siguiente; coloque un fotodiodo en medio de una esfera de vidrio al rojo vivo y realice una medición. Luego coloco todo en el centro de una esfera más grande con una superficie mate altamente reflectante para que la luz se "acumule" debido a docenas o cientos de dispersiones. ¡La lectura de mi medidor en el centro de mi esfera de vidrio aumentará!
@uhoh, un cuerpo negro absorbe todos los fotones que inciden sobre él. No refleja ninguno de ellos. Los etalones son generalmente monocromáticos. Nada como la radiación de cuerpo negro. Su segundo ejemplo no logra ningún tipo de equilibrio; Tampoco es un cuerpo negro.
Bien, he dicho que estas son "analogías" (y no particularmente buenas), no ejemplos , así que, por supuesto, puedes decir que no son lo mismo. Me ha pedido que explique "lo que quiere decir con 'construir'" y simplemente le expliqué lo que quería decir con 'construir'. Estás argumentando en contra de algo que no dije. Buscaré en otra parte el flujo de fotones frente a la temperatura, tal vez un libro o artículo, y lo compararé con Stefan-Boltzmann para ver si se requiere una constante de proporcionalidad sustancial para que coincida con su simple σ T 4 argumento.
@uhoh O tal vez podría hacer sus preguntas como preguntas (en Physics SE).
@RobJeffries ¡Excelente! Déjame ver si capté la idea. Si la profundidad óptica del material es de unos pocos micrómetros, esto significa que, cuando estoy dentro del Sol, estoy observando el plasma en un volumen esférico extremadamente pequeño (del tamaño de una bacteria) alrededor de mi ojo y que el resto del Sol se me oculta, como si no existiera.
Pero dado que la profundidad óptica está relacionada con la opacidad y estamos en equilibrio térmico, esta gran opacidad significa que la pequeña y loca esfera de plasma alrededor de mi ojo también está absorbiendo una gran cantidad de energía y, por lo tanto, se calienta tanto que brilla tan brillante como incluso más brillante que la superficie del Sol vista desde fuera. ¿Es eso correcto?
Sí. Básicamente, sería algo así como estar dentro de una nube densa de niebla brillantemente iluminada: todo lo que puedes ver es la niebla brillante justo en frente de tus ojos. (Los mecanismos a microescala son ligeramente diferentes, ya que las gotas de niebla reflejan y dispersan la luz mientras que las partículas de plasma la absorben y la vuelven a emitir térmicamente, pero el resultado final es el mismo: un camino libre medio muy corto para los fotones).
@swike Correcto.
Curiosamente, mientras que el máximo de distribución de longitud de onda en la radiación del cuerpo negro (si alguna vez he visto un oxímoron...) del núcleo del Sol serían los rayos X, habría mucha radiación hasta el radio; en particular, el núcleo del sol también es más brillante que la superficie en el espectro visible. Consulte ase.tufts.edu/cosmos/view_picture.asp?id=1332 .
"en comparación con los 1400 W/m2 que obtienes al mirar directamente al Sol". ¡No mires directamente al Sol!
@CJDennis De hecho. Advertencia añadida.

Viniendo de una dirección diferente a la de @Rob, la opacidad y la radiación térmica son propiedades ortogonales de un material. El flujo de fotones en el interior del sol es muy alto, por lo que definitivamente no está oscuro . Sin embargo, es opaco a prácticamente toda la luz fuera del sol.

Para proporcionar una analogía, si estás en una habitación sellada sin ventanas, no puedes ver nada fuera de la habitación. Si enciende una linterna en la habitación, ya no está oscuro pero sigue siendo opaco al mundo exterior.

¿Está oscuro dentro del Sol?
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