¿Es el Sol más brillante de lo que realmente vemos?

Question

Aprendí que el plasma puede reflejar radiaciones de frecuencia menor que la de sus propias oscilaciones. Si es así, considerando el plasma en la atmósfera del Sol, debería reflejar también las radiaciones solares.

Eso significaría que la radiación emitida desde las capas internas del Sol sería reflejada de vuelta por las capas exteriores. Por lo tanto, la única radiación que saldría serían aquellas generadas en las capas exteriores, para las cuales no habría capas de plasma más densas rodeándolas. Y, por supuesto, las que tengan frecuencias más altas que el plasma en cada capa saldrían ilesas.

Si esto es cierto, la mayor parte de la radiación generada por la fusión quedaría atrapada en el interior, y sólo observamos una fracción.

Nótese que la intensidad de la radiación observable que sale de las estrellas ahora dependería principalmente de la capa más externa. Entonces, ¿no sería inapropiado considerar a las estrellas como cuerpos negros al determinar su temperatura y otras propiedades? ¿Es el Sol más brillante y caliente de lo que vemos desde afuera?

Answer 1

Tenga en cuenta que la intensidad de la radiación observable que sale de las estrellas ahora dependería principalmente de la capa más externa.

Debido a que el material en la estrella es opaco, depende completamente de la capa más externa. Por supuesto, las propiedades de esa capa (como su temperatura) están impulsadas por la energía que proviene del interior.

Entonces, ¿no sería inapropiado considerar a las estrellas como cuerpos negros al determinar su temperatura y otras propiedades?

Es apropiado para un objeto que tiene un espectro que se asemeja estrechamente a un espectro de cuerpo negro. Sin embargo, la única propiedad que describe es la temperatura de la capa visible. No implica nada sobre el interior y los procesos que producen y distribuyen energía. No deberías leer cuerpo negro y pensar que significa que el interior (invisible) es simple o de alguna manera similar al exterior.

El interior del sol es mucho más caliente que el exterior (alrededor de 15 millones de Kelvin en el núcleo, en comparación con los 6000 Kelvin aproximadamente en la fotosfera). Como no es visible, dudaría en llamarlo "más brillante". Pero podrías considerarlo de esa manera.

Answer 2

Sí, estás viendo la capa exterior

Todo el calor y la luz del Sol son emitidos por esa capa más externa, que es básicamente opaca a los procesos que ocurren en su interior. El espectro solar es muy parecido al de un cuerpo negro, y por lo tanto se aplica un cálculo de temperatura de cuerpo negro a la superficie del Sol. No es tan caliente, está alrededor de 5700 K.

Sí, adentro se pone más caliente. Mucho más caliente

5700K no es lo suficientemente caliente para la fusión, lamentablemente. Como imaginaste correctamente, la mayor parte de la luz generada en el núcleo se queda allí. En el núcleo, la temperatura es de millones de Kelvin, y más de cien veces la densidad del agua como un plasma.

Recuerda que el Sol es una gran bola de gas/plasma

El tamaño del Sol está determinado por el equilibrio de fuerzas; la presión hacia afuera del plasma que quiere expandirse versus la atracción hacia adentro de la gravedad. Si hubiera más energía generada, eso tendería a hacer que la bola se expandiera - no hay una 'superficie' para contenerla. Por lo tanto, la superficie y sus propiedades son completamente un producto de la energía generada dentro de la bola, y de hecho en gran medida en el núcleo.

Lo que escapa no es una pequeña fracción de la energía que se genera

El Sol se encuentra en un estado (generalmente) estable - no se está haciendo más grande o más caliente. Y la energía liberada por la fusión de núcleos no tiene otro lugar adonde ir; no va a volver a los núcleos más pesados y dividirlos. Por lo tanto, si el Sol es estable, toda esa energía debe estar saliendo de una u otra manera.

Sabemos, entonces, que la cantidad total de energía emitida por la superficie del Sol es igual a la cantidad de energía liberada por las interacciones nucleares en el núcleo del Sol.

No estamos diciendo que el Sol sea solo una masa caliente

Al modelar el Sol como un cuerpo negro, lo único que estamos diciendo es que podemos ver que su espectro coincide con el de algo caliente genérico a una temperatura particular, y a partir de ahí (y algunas suposiciones sobre que básicamente es lo mismo en todas direcciones) podemos calcular la cantidad total de energía que emite el Sol. No hemos tenido que hacer ninguna suposición sobre lo que está ocurriendo dentro del Sol, solo observar lo que nos llega e inferir lo que debe estar saliendo en general.

Con este conocimiento podemos empezar a inferir lo que debe estar ocurriendo en el interior

Sabemos algunas cosas; cuanta energía está produciendo el Sol, qué tan grande es, las proporciones de especies atómicas en la superficie (a partir de los detalles del espectro), su masa total, las leyes de la gravedad y los comportamientos de los plasmas. A partir de eso tenemos que intentar modelar qué debe estar ocurriendo en el interior.

Hemos inferido, por ejemplo, cuáles deben ser los procesos nucleares dominantes dentro del Sol; sabemos que las temperaturas y presiones no son lo suficientemente altas para algunos ciclos, pero sí lo suficientemente altas para otros.

Answer 3

El siguiente es un punto secundario matizado pero relevante.

¿El Sol es más brillante de lo que realmente vemos?

La respuesta corta es sí.

La respuesta más larga también es sí, pero por una razón sutil. El espectro solar en realidad alcanza su pico en la luz verde visible (por ejemplo, ver https://physics.stackexchange.com/a/137202/59023). Sin embargo, no vemos una estrella verde, porque nuestros ojos no filtran otras frecuencias y tienen su propia función de respuesta no lineal que depende de la frecuencia. Debido a que la respuesta no es plana en frecuencia y no cubre todas las frecuencias, el brillo total "medido" por nuestros ojos no es el mismo que el emitido por el sol.

Debo admitir que este es un punto matizado y no está directamente relacionado con la intención de la pregunta original, al menos por lo que inferí. Sin embargo, es importante recordar que nuestros ojos (y oídos) no tienen funciones de respuesta planas. De hecho, vemos mejor el amarillo que el verde, sorprendentemente.

¿El Sol es más brillante y más caliente de lo que vemos desde fuera?

Brillo y calor son cosas algo subjetivas aquí si estamos hablando de lo que cualquier ser humano percibe (es decir, porque requiere la descripción verbal/escrita/signada de la persona en cuestión). Además, como ejemplo, el objeto A puede ser mucho más caliente que el objeto B pero ser percibido como más tenue dependiendo de la frecuencia principal en la que el objeto emite radiación y la respuesta del receptor.

Supongamos que el receptor es un telescopio con filtros de líneas espectrales y algo así como una respuesta gaussiana centrada en la frecuencia máxima de la línea espectral. Si no está correctamente calibrado, una señal podría parecer aumentar y luego disminuir en intensidad simplemente porque escaneó el rango de frecuencia del filtro. Para tener en cuenta esto, se intenta calibrar adecuadamente para que cosas como el brillo correspondan a alguna medida de la cantidad de fotones (o flujo u otra medida similar) recibidos, es decir, cuantificarlo para que se pueda comparar y probar con otras observaciones.

Para abordar la parte específica de tu pregunta relacionada con el comentario "desde fuera", el sol es una ilustración perfecta de por qué este criterio es engañoso. El núcleo del sol, como ya señaló BowlOfRed, es ~4,500 veces más caliente que la superficie (es decir, la fotosfera). La atmósfera exterior (es decir, la corona) es ~170 veces más caliente que la superficie, pero no puedes verla ya que es mucho más tenue que la superficie. Se necesita un coronógrafo para ver el espectro de luz visible de la corona. La corona es tan caliente que en realidad emite en el rango de frecuencias de UV y rayos X. De nuevo, nunca podrías observar esto ya que está fuera del rango de frecuencias a las que tu ojo puede responder.

Entonces, para responder a tu pregunta, sí, el sol es tanto más brillante como más caliente de lo que puedes ver. Además, es más caliente tanto más adentro COMO afuera, pero no puedes ver ninguna de las dos regiones a simple vista (puedes ver la corona durante un eclipse solar total durante unos minutos).