【地科小擂台】藍色恆星的紅光

林彥興


出題篇

已知恆星主要的發光機制是黑體輻射。
那麼此處若有一藍一紅兩顆相同大小、不同顏色的恆星,誰在單位時間內發出的紅光比較多?誰的表面溫度比較高呢?

留下你的答案,與大家一起討論吧!




解答篇

相同大小的紅色恆星與藍色恆星,誰的溫度比較高?誰發出的紅光比較多?

對於第二個問題,相信很多人都知道恆星的顏色越藍,表示表面的溫度越高,這沒什麼問題。但也許出乎你意料的是:雖然藍色恆星看起來是藍色,它發出的紅光其實比紅色恆星更多呦!

這是因為恆星的主要發光機制:黑體輻射(Black Body Radiation, BBR)有一個重要的特性,就是無論波長,溫度高的物體在單位面積、單位時間發出的光,都比溫度低的物體多。用數學的語言來說,黑體輻射的強度,隨溫度呈單調(monotonic)上升。

這點其實從下面這張常見的黑體輻射示意圖就能看得出來,可以看到雖然峰值的位置不一樣,但是 5000 K 的曲線永遠都在 4000 K 與 3000 K 的上方。不同溫度的黑體輻射強度曲線,是永不交叉的。因此即使輻射的峰值接近紅色,題目中的紅色恆星發出的紅光還是會比藍色恆星少。

當然,現實中的恆星有大有小,如果今天是一個藍色的主序星(如天狼星,R 波段絕對星等約 1.4)對上一個紅超巨星(如參宿四,R 波段絕對星等約 -7.1),那後者雖然單位面積的紅光較少,但還是能以巨大的半徑帶來的巨大表面積扳回一城。此外,恆星的光譜也不完全符合黑體輻射曲線,根據恆星的類型不同,上述的推論也或多或少需要做點調整。但即便如此,黑體輻射的特性仍是我們了解恆星、快速判斷其性質的重要基礎。

All models are wrong, but some are useful.

延伸閱讀

EASY (2023), "天文輻射物理小教室"

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