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為什麽很難找到綠色的恒星?

2022-03-03知識

下面這個20秒左右的視訊能給出答案。

恒星溫度與顏色的關系 https://www.zhihu.com/video/1426878368109604864

當然這需要一些基礎知識。

首先,星星發出的光的顏色幾乎完全決定於其溫度。

有這麽一個方便的公式:

\lambda_{max}\cdot T=b

該公式被稱為維因位移定律,是熱放射線的基本定律之一。它表示在一定溫度T下,絕對黑體的溫度與放射線本領最大值相對應的峰值波長λ的乘積為一常數(維因常量b=0.002897m·K)。

用白話來說,即「物體越熱,其發出的光的峰值波長就越短」。當然,這裏的物體是指能把投射到它表面的所有的光全部吸收(既不反射也不透射)的「絕對黑體」。絕對黑體是一種理想物體並不存在於現實中,不過把天上的星星近似看做絕對黑體幾乎沒有問題。

也就是說,只要看星星的顏色就能大概知道其溫度,知道星星的溫度就能大致判斷其顏色: 溫度越低,顏色越紅(波長越大);溫度越高,顏色越藍(波長越小) 。更詳細的說明可以參見答主的以下回答:

隨之而來的就是題主的問題了:既然波長從大到小的順序是「紅-橙-黃-綠-青-藍-紫」,那為什麽存在紅色和藍色的星星(極端例:紅矮星/紅巨星和藍巨星),卻反而沒有位於可算是適中波長帶的綠色的星星呢?

比如說圖1是從地球上看去全天最亮的25顆星(太陽除外)的照片,它們的溫度從約3,000K到30,000K不等,顏色有橙色,黃色,白色,藍色,但顯然沒有一顆是綠色的。

圖1 全天最亮的25顆恒星(太陽除外)

我們從中取出從3,000-10,000K各個溫度梯度的幾個星星來看看:

參宿四(Betelgeuse):3,590K 橙色

畢宿五(Aldebaran):3,910K 橙色

五車二(Capella):4,970K 黃色

太陽(Sun):5,800K 黃白色(圖1中沒有,不過我們擡頭就能看到)

南河三(Procyon):6,530K 白色

天狼星(Sirius):9,940K 藍白色

參宿七(Rigel):11,000K 藍色

首尾都比較正常,參宿四(紅超巨星)溫度最低,接近紅色;參宿七(藍超巨星)溫度最高,呈藍色。但本應該是綠色範圍的地方——如南河三,甚至太陽——卻出現了接近白色的顏色。這是為什麽呢?

我們現在再開啟文首的視訊看一下,應該就能明白了。

視訊展示的是不同溫度下的黑體放射線光譜。

剛才已經談到,星光基本上可以看成一個理想黑體放射線光譜:這個光譜是一條有寬度範圍的曲線,其峰值波長取決於溫度。溫度較低的恒星發出的大部份是紅外線,我們看不到,但在可見光譜範圍內,它們發出的紅光比藍光或綠光多得多,所以在我們眼裏呈紅色;而熾熱的恒星發出的光大部份在紫外線範圍,而在我們能看到的範圍中,藍光比紅光或綠光更多,於是呈藍色;但是,如果峰值的波長是綠色的,黑體曲線就會幾乎正好位於可見光譜的中心,所以此時的恒星會發出大致相同數量的紅、綠、藍光,最終在我們眼裏混合後被我們理解為白色!

問題看起來似乎到此結束,不過我們還能談一些更深的話題。

光的三原色紅綠藍(RGB)混合起來呈白色當然可以理解,但如果我們設定溫度將峰值波長對準綠色範圍的最中心,即使星星也同時發出藍光和紅光,但在那時畢竟綠光是最強的,就不能讓我們看到類似「綠白色」的顏色嗎?

比如就拿太陽來說,已知太陽表面溫度約5,800K,根據前述的維因位移定律,我們可以求出太陽光的峰值波長為:

λ = b/T = 0.002897/5800×10^9 = 499 nm

這個波長幾乎正好位於藍色和綠色的分界線上!

按照這個結果來說,我們看到的太陽即使是接近白色,那也應該是綠白色或者藍白色呀,為什麽太陽在我們眼中卻是黃白色的?!

要解釋這個問題,我們的話題就得從「天體」轉移到「人體」了。

其實以前答主在下面這個回答中已經談到過這個問題,這裏再拿出來簡單說說。

人類之所以能夠辨識顏色是因為視網膜裏存在著3種分別對長波長(紅)、中波長(綠)、短波長(藍)具有敏感度錐狀細胞(L,M,S)將光子轉化為電訊號傳輸至我們的大腦。然而如圖2所示,三種錐狀細胞對各波長的敏感度分布並不是獨立和均勻的,比如要想激發M(綠)錐狀細胞,在任何波長範圍內你都幾乎不可避免地會同時激發L(紅)錐狀細胞,有時還會同時激發三種細胞。這意味著,綠色到達我們眼裏後總是會被大腦摻雜別的顏色(上面的回答裏也有寫到: 如果我們有辦法僅讓M錐狀細胞受刺激,那麽理論上我們可以看到一種無法想象的「更鮮艷的綠色」 )。特別是星星發出的光芒本來就不可避免會帶有藍光和紅光,這樣的話我們的大腦無論如何也無法混合出接近綠色的顏色。事實上我們看到的太陽雖然本應該呈藍綠色卻被大腦混入了更多了紅光,所以最終呈現出的顏色是黃白色。

圖2. 3種錐狀細胞對各波長的靈敏度

反過來說,如果想要看到綠色的星星,這就要求星星放出的光芒幾乎是純粹的綠色(即峰值在綠色範圍且譜圖很窄),但是這同樣不可能,因為一定溫度下黑體放射線光譜總是固定的!

這意味著,不僅是恒星,在地球上的大自然裏, 我們永遠也不可能透過加熱的方式制造出綠色 (金屬的焰色反應和熒光等現象雖然可以發出綠光但原理不同)!這也是我們在生活中很少能看到綠色火焰等發光體的原因。