บรรยากาศดาวฤกษ์และการถ่ายโอนการแผ่รังสี

แสงที่เราได้รับจากดาวฤกษ์นั้นถูกปรับเปลี่ยนรูปร่างโดยการเดินทางผ่านชั้นบรรยากาศ และสมการการถ่ายโอนการแผ่รังสีจะอธิบายว่าการดูดกลืนและการปล่อยตลอดเส้นทางกำหนดสเปกตรัมที่ออกมาได้อย่างไร

Definition

การถ่ายโอนการแผ่รังสีคือการอธิบายว่ารังสีแพร่กระจายผ่านตัวกลางที่ดูดกลืน ปล่อย และกระจายรังสีได้อย่างไร และบรรยากาศดาวฤกษ์คือชั้นนอกของดาวฤกษ์ที่การถ่ายโอนนี้กำหนดสเปกตรัมที่หลุดออกสู่อวกาศ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างของบรรยากาศดาวฤกษ์ สมการการถ่ายโอนการแผ่รังสีและการแก้สมการ แหล่งกำเนิดความทึบแสงแบบต่อเนื่องและแบบเส้น สมมติฐานสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่และการแตกตัวของสมมติฐาน การก่อตัวของเส้นดูดกลืน และแบบจำลองบรรยากาศที่ใช้ในการตีความสเปกตรัมที่สังเกตได้

Core questions

• สมการการถ่ายโอนอธิบายการหลุดรอดของแสงจากดาวฤกษ์ได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดความทึบแสงของบรรยากาศดาวฤกษ์?
• เมื่อใดที่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่ (local thermodynamic equilibrium) เป็นสมมติฐานที่ถูกต้อง?
• เส้นดูดกลืนก่อตัวขึ้นในบรรยากาศได้อย่างไร?

Key concepts

• สมการการถ่ายโอน
• ฟังก์ชันแหล่งกำเนิด
• ความลึกเชิงแสง
• ความทึบแสง
• สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่
• แบบจำลองบรรยากาศ
• การมืดลงที่ขอบ

Key theories

สมการการถ่ายโอนการแผ่รังสี

การเปลี่ยนแปลงความเข้มตามแนวรังสีเท่ากับการปล่อยลบด้วยการดูดกลืนที่กำหนดโดยความทึบแสงและฟังก์ชันแหล่งกำเนิด; การแก้สมการนี้ผ่านแบบจำลองบรรยากาศจะให้ส่วนต่อเนื่องและโปรไฟล์เส้นที่เกิดขึ้นซึ่งนำไปเปรียบเทียบกับสเปกตรัมที่สังเกตได้

ความทึบแสง สมดุล และการก่อตัวของเส้น

ความทึบแสงแบบต่อเนื่องและแบบเส้นจากอะตอม ไอออน และไฮโดรเจนไอออนลบควบคุมว่าความยาวคลื่นที่แตกต่างกันมีต้นกำเนิดจากส่วนใดของบรรยากาศ; ภายใต้สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่ ประชากรจะตามอุณหภูมิ แต่เส้นที่แข็งแกร่งและชั้นที่เบาบางต้องการการพิจารณาที่ไม่สมดุล

Mechanisms

โฟตอนที่เดินทางออกไปด้านนอกผ่านชั้นบรรยากาศจะถูกดูดกลืนและปล่อยออกมาใหม่ตามความทึบแสงเฉพาะที่และฟังก์ชันแหล่งกำเนิด; ชั้นที่ลึกกว่าและร้อนกว่าจะให้ส่วนต่อเนื่อง ในขณะที่ความยาวคลื่นเฉพาะจะถูกปิดกั้นโดยความทึบแสงแบบเส้นในก๊าซที่เย็นกว่าที่อยู่เหนือขึ้นไป ความลึกที่รังสีของความยาวคลื่นที่กำหนดหลุดรอดออกมา ซึ่งกำหนดโดยจุดที่ความลึกเชิงแสงมีค่าประมาณหนึ่ง จะกำหนดความเข้มที่สังเกตได้

Clinical relevance

แบบจำลองการถ่ายโอนการแผ่รังสีของบรรยากาศเป็นส่วนเชื่อมโยงที่สำคัญระหว่างทฤษฎีและการสังเกตการณ์ในดาราศาสตร์ดาวฤกษ์: พวกมันแปลงสเปกตรัมเป็นอุณหภูมิ แรงโน้มถ่วง และปริมาณธาตุ เป็นพื้นฐานของการสอบเทียบพารามิเตอร์ดาวฤกษ์ในการสำรวจขนาดใหญ่ และฟิสิกส์การถ่ายโอนเดียวกันนี้ยังใช้กับบรรยากาศดาวเคราะห์และตัวกลางระหว่างดาว

History

ชวาร์ซชิลด์และมิลน์ได้พัฒนาทฤษฎีเริ่มต้นของสมดุลการแผ่รังสีในบรรยากาศ แชนดราเซคาร์ได้จัดระบบการถ่ายโอนการแผ่รังสีในช่วงทศวรรษ 1940 และอันโซลด์และมิฮาลาสได้สร้างกรอบการทำงานสมัยใหม่ของแบบจำลองบรรยากาศและการก่อตัวของเส้นที่ไม่สมดุลที่ใช้ในปัจจุบัน

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• Dimitri Mihalas
• Edward Milne
• Albrecht Unsold

Seminal works

• chandrasekhar1960
• mihalas1978

Frequently asked questions

ความลึกเชิงแสงคืออะไร?

ความลึกเชิงแสงวัดปริมาณของสารดูดกลืนที่อยู่ตามแนวสายตา; รังสีจะหลุดรอดออกมาได้ง่ายที่สุดจากชั้นที่ความลึกเชิงแสงไปยังผู้สังเกตมีค่าประมาณหนึ่ง ดังนั้นความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจึงมาจากความลึกที่แตกต่างกันในบรรยากาศอย่างมีประสิทธิภาพ

สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่หมายความว่าอย่างไร?

เป็นสมมติฐานที่ว่า ณ แต่ละจุด ก๊าซมีพฤติกรรมราวกับอยู่ในสมดุลที่อุณหภูมิเฉพาะที่ ดังนั้นประชากรอะตอมจึงเป็นไปตามกฎทางสถิติอย่างง่าย; มันช่วยลดความซับซ้อนของการวิเคราะห์ได้อย่างมาก แต่จะแตกตัวในชั้นที่มีความหนาแน่นต่ำและสำหรับเส้นสเปกตรัมที่แข็งแกร่ง