太阳是黑体,如果向太阳发射一束光,会发生什么?

当我们仰望夜空,看到闪闪发光的星星时,我们的眼球会吸收星星发出的光子,并将它们转换成我们大脑可以处理的电信号。大多数情况下,我们眼睛能看到的光子(可见光)的传播时间在几十年到几千年之间,它们最终以电信号的形式进入了我们的大脑。

恒星在自然界中最近似黑体

原则上,一个来自恒星的光子在传播的过程中可以被任何东西吸收,而不仅仅是我们的眼球。然而,在自然界有些物体比其他物体更善于吸收光线,甚至有些物体能够吸收所有射入其表面的光线,吸收光的绝对冠军被我们称之为黑体,这个物理术语适用于任何完美吸收的物体。黑体由自身的热量而发光,因此一个黑体的发光颜色和其温度有着直接的关系。

上面的表述听起来像是一颗恒星?是的!恒星几乎是完美的黑体,它们是自然界中最接近黑体的物体之一。如果来自另一颗恒星的光子没有击中地球,而是击中了太阳,那么光子就会立即被太阳吸收。

为了理解光子接下来会发生什么?我们首先需要对太阳光是如何到达恒星表面有更多的了解。

恒星核心区,光子产生的地方

太阳大小的恒星一般可以分为三个部分。最里面的部分是核心区,核聚变就是在这里发生。在太阳的核心区高温和高压,导致原子核相互撞击的频率、能量非常大,这就足以将轻元素融合成更重的元素。对于像太阳这么大的恒星,在其主序星阶段唯一能融合的元素就是将氢原子聚变为氦原子。这也是恒星发生核聚变所需要的最低的温度和压力。在恒星聚变的过程中,会损失一小部分质量,转化为辐射能量,因此恒星会发光、发热。

恒星的核心实际上对光子是透明的,光子很容易就能从核心逃逸出来。如果你和你的朋友站在太阳核心的两边,你们甚至能互相看到对方。

辐射区,光子穿过这个区域至少需要几十万年

恒星的下一部分围绕着核心,被称为辐射区。辐射是一种将能量从一个区域转移到另一个区域的方法,它涉及到向每一个可能的方向发射光子。在生活中一般认为辐射能够治疗癌症治疗或被晒伤,但从根本上说,辐射是光子离开一个热的区域并带走一些能量,将这些能量储存在其他地方。我们在阳光下被晒伤时,光线离开太阳,并从太阳带走能量,将一部分能量传递给你的皮肤,但我们的皮肤并不喜欢这些能量。对于癌症治疗来说,高能量的光子具有很强的穿透能力(X射线或γ射线)并将能量传递到身体的特定部位杀死癌细胞。(但正常细胞也不喜欢这种辐射)

在太阳中,来自核心的光子击中辐射区域内层并被吸收。这个区域对光来说是不透明的,所以光子在这个区域是寸步难行,不断地被吸收,然后被辐射区域的原子“吐”出来。更糟糕的是,吸收了光子的原子并不是一致的向太阳表面发射光子,而是向随机方向发射,也就是说有些光子跌跌撞撞的可能已经快走出辐射层了,但又不幸被某个原子吸收后朝内层方向发射了出去,所以这更让光子难以穿透辐射层,所有的光子最终以所谓的“随机漫步”的方式走出辐射层。

随机发射可能会把光在带到一个特定的方向,然后反向,然后再反向,然后绕了一个圈,然后才离开辐射区。(甚至可能会让光子回到核心区,不得不在在辐射区重新开始往外走)。一般来说,考虑到辐射层的大小和周围吸收光子的原子数量,任何一个光子要想逃离太阳的辐射区至少需要十万年的时间。

对流区,光子离开太阳所经历的最后一个区域

太阳的下一个是对流区。对流是另一种传递能量的方法,但与辐射区不同,辐射区通过随机发射光子来传递能量,而对流涉及到了原子本身的运动,就像我们平时在家里烧水一样。离开辐射区的光子被对流区的原子吸收,然后原子被光子加热,开始上升,就像烧水时水锅里的气泡一样。事实上,如果我们用足够强大的望远镜观察的话,我们甚至可以直接看到太阳的气泡。

一旦原子上升到达太阳表面,光子就可以自由地离开太阳表面了,失去光子的原子又会下沉继续传递光子,下沉的过程只需要7天时间。当光子最终可以自由地从太阳中逃离时,就被称为光球层,实际上就是太阳的表面。在这之外,太阳确实有大气层,但很薄,在日全食时最容易看到太阳的大气层。

现在了解了太阳核心的光子是如何出来的,现在就可以回答:一束射到太阳表面的光,会发生什么?

太阳是完美的黑体,射线太阳表面的光会被吸收,光子会试图反向行进。如果光子想迅速地从太阳中被释放出来,最好的选择就是击中太阳表面特别热的部分,并且仍在上升。如果是这样的话,当光子被太阳表面吸收时,组成太阳的原子的运动会把能量保持在太阳表面附近,很可能光子会相对较快地从太阳表面弹回来。

还有就是光子的能量被吸入原子中,原子开始向太阳的中心回落。即使携带光子能量的原子一路返回到辐射带的边界,这个光子也不太可能再次进入辐射带,它必须先被原子释放,而原子更愿意再次回到太阳表面。

因此,射向太阳表面的光子最多会在太阳的对流层旅行一圈,最多持续14天左右的时间,然后被太阳释放。虽然核心内的光子需要几十万年才能从太阳中心到达表面,但任何来自外部的光都无法到达太阳那么远的地方进行长途旅行。