¿Qué parte de los fotones emitidos por una estrella provienen de la radiación del cuerpo negro y qué parte se originan de las reacciones de fusión?

Las reacciones de fusión producen radiación gamma de alta energía. Ninguno de esos fotones llega directamente a la superficie de la estrella. En escalas de tiempo de$10^4-10^5$años, se dispersan a medida que su energía se propaga hacia la superficie. Por lo tanto, todos los fotones de una estrella son de radiación de cuerpo negro.

Algunos de estos fotones de cuerpo negro son absorbidos por átomos o iones en las atmósferas de la estrella y son reemitidos. Esta reemisión aparece como líneas de absorción en el espectro. Sin embargo, dado que la reemisión va en todas las direcciones, algunos de los fotones que vemos provienen de tales procesos de recombinación atómica.

Puede obtener una comprensión cualitativa de los números cuando observa cualquier espectro de absorción de una estrella. La distribución suave general es la radiación de cuerpo negro. Las líneas de absorción son subdominantes a eso, y solo una pequeña fracción de la diferencia entre una línea de absorción y el espectro térmico en esa longitud de onda va en su dirección desde la reemisión. Por lo tanto, en general, eso se vuelve bastante insignificante y se puede decir que esencialmente todos los fotones son radiación de cuerpo negro.

Esto se plantea como una pregunta de uno u otro. La respuesta a "qué parte de los fotones emitidos por una estrella provienen de la radiación del cuerpo negro y qué parte se originan de las reacciones de fusión" es sí.

Nuestro Sol tiene 4.600 millones de años. Antes de convertirse en una estrella que fusiona hidrógeno, el proto-Sol emitía radiación de cuerpo negro debido a la energía generada por el colapso gravitacional. Sin embargo, desde que eso sucedió hace 4.600 millones de años, la energía de ese colapso gravitatorio hace mucho tiempo que se ha disipado. La energía emitida por el Sol desde su superficie en forma de fotones se origina a partir de reacciones de fusión en el núcleo del Sol.

El Sol también emite neutrinos, alrededor del 3% de la energía total. Casi todos esos neutrinos viajan desde el núcleo a la superficie sin interferencias. En contraste con esos neutrinos, los fotones creados por la fusión están sujetos a mucha interferencia al salir. El camino libre medio de los fotones de alta energía creados por la fusión en el núcleo del Sol es del orden de un centímetro. En el proceso de rebote aleatorio al salir del núcleo, esos fotones de alta energía aumentan en número pero disminuyen en longitud de onda.

Existen múltiples mecanismos de retroalimentación que mantienen la energía electromagnética generada por la fusión en el núcleo de una estrella en equilibrio con la energía electromagnética radiada por una estrella desde su superficie. Lo que esto significa es que la respuesta a "qué parte de los fotones emitidos por una estrella provienen de la radiación del cuerpo negro y qué parte se originan de las reacciones de fusión" es sí.

La mayoría de los fotones recibidos del Sol, en las partes visible e IR del espectro, se deben a la radiación de recombinación, ya que los electrones libres se unen a los átomos de hidrógeno para formar$H^{-}$iones Esto ocurre dentro de una capa de ancho justo$\sim 1000$km en la fotosfera solar. Por supuesto, hay fotones adicionales debido a transiciones atómicas como H, Na, Ca, Fe, etc. que ocurren en longitudes de onda discretas (o al menos en un rango estrecho).

La combinación de estos procesos produce un espectro que se aproxima al de un cuerpo negro (la función de Planck). Tenga en cuenta que la "radiación de cuerpo negro" es una descripción del espectro, no un proceso de emisión.

Los fotones producidos directamente por fusión y por otros procesos asociados con el gas caliente en el núcleo del Sol no se acercan a la superficie. Su recorrido libre medio es del orden de 1 mm y depositan su energía casi en el mismo lugar donde fueron producidas. No vemos (en ninguna longitud de onda) fotones que se originaron en el núcleo del Sol.