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为什么很难找到绿色的恒星?

2022-03-03知识

下面这个20秒左右的视频能给出答案。

恒星温度与颜色的关系 https://www.zhihu.com/video/1426878368109604864

当然这需要一些基础知识。

首先,星星发出的光的颜色几乎完全决定于其温度。

有这么一个方便的公式:

\lambda_{max}\cdot T=b

该公式被称为维恩位移定律,是热辐射的基本定律之一。它表示在一定温度T下,绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的峰值波长λ的乘积为一常数(维恩常量b=0.002897m·K)。

用白话来说,即「物体越热,其发出的光的峰值波长就越短」。当然,这里的物体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「绝对黑体」。绝对黑体是一种理想物体并不存在于现实中,不过把天上的星星近似看做绝对黑体几乎没有问题。

也就是说,只要看星星的颜色就能大概知道其温度,知道星星的温度就能大致判断其颜色: 温度越低,颜色越红(波长越大);温度越高,颜色越蓝(波长越小) 。更详细的说明可以参见答主的以下回答:

随之而来的就是题主的问题了:既然波长从大到小的顺序是「红-橙-黄-绿-青-蓝-紫」,那为什么存在红色和蓝色的星星(极端例:红矮星/红巨星和蓝巨星),却反而没有位于可算是适中波长带的绿色的星星呢?

比如说图1是从地球上看去全天最亮的25颗星(太阳除外)的照片,它们的温度从约3,000K到30,000K不等,颜色有橙色,黄色,白色,蓝色,但显然没有一颗是绿色的。

图1 全天最亮的25颗恒星(太阳除外)

我们从中取出从3,000-10,000K各个温度梯度的几个星星来看看:

参宿四(Betelgeuse):3,590K 橙色

毕宿五(Aldebaran):3,910K 橙色

五车二(Capella):4,970K 黄色

太阳(Sun):5,800K 黄白色(图1中没有,不过我们抬头就能看到)

南河三(Procyon):6,530K 白色

天狼星(Sirius):9,940K 蓝白色

参宿七(Rigel):11,000K 蓝色

首尾都比较正常,参宿四(红超巨星)温度最低,接近红色;参宿七(蓝超巨星)温度最高,呈蓝色。但本应该是绿色范围的地方——如南河三,甚至太阳——却出现了接近白色的颜色。这是为什么呢?

我们现在再打开文首的视频看一下,应该就能明白了。

视频展示的是不同温度下的黑体辐射光谱。

刚才已经谈到,星光基本上可以看成一个理想黑体辐射光谱:这个光谱是一条有宽度范围的曲线,其峰值波长取决于温度。温度较低的恒星发出的大部分是红外线,我们看不到,但在可见光谱范围内,它们发出的红光比蓝光或绿光多得多,所以在我们眼里呈红色;而炽热的恒星发出的光大部分在紫外线范围,而在我们能看到的范围中,蓝光比红光或绿光更多,于是呈蓝色;但是,如果峰值的波长是绿色的,黑体曲线就会几乎正好位于可见光谱的中心,所以此时的恒星会发出大致相同数量的红、绿、蓝光,最终在我们眼里混合后被我们理解为白色!

问题看起来似乎到此结束,不过我们还能谈一些更深的话题。

光的三原色红绿蓝(RGB)混合起来呈白色当然可以理解,但如果我们设定温度将峰值波长对准绿色范围的最中心,即使星星也同时发出蓝光和红光,但在那时毕竟绿光是最强的,就不能让我们看到类似「绿白色」的颜色吗?

比如就拿太阳来说,已知太阳表面温度约5,800K,根据前述的维恩位移定律,我们可以求出太阳光的峰值波长为:

λ = b/T = 0.002897/5800×10^9 = 499 nm

这个波长几乎正好位于蓝色和绿色的分界线上!

按照这个结果来说,我们看到的太阳即使是接近白色,那也应该是绿白色或者蓝白色呀,为什么太阳在我们眼中却是黄白色的?!

要解释这个问题,我们的话题就得从「天体」转移到「人体」了。

其实以前答主在下面这个回答中已经谈到过这个问题,这里再拿出来简单说说。

人类之所以能够识别颜色是因为视网膜里存在着3种分别对长波长(红)、中波长(绿)、短波长(蓝)具有敏感度锥状细胞(L,M,S)将光子转化为电信号传输至我们的大脑。然而如图2所示,三种锥状细胞对各波长的敏感度分布并不是独立和均匀的,比如要想激发M(绿)锥状细胞,在任何波长范围内你都几乎不可避免地会同时激发L(红)锥状细胞,有时还会同时激发三种细胞。这意味着,绿色到达我们眼里后总是会被大脑掺杂别的颜色(上面的回答里也有写到: 如果我们有办法仅让M锥状细胞受刺激,那么理论上我们可以看到一种无法想象的「更鲜艳的绿色」 )。特别是星星发出的光芒本来就不可避免会带有蓝光和红光,这样的话我们的大脑无论如何也无法混合出接近绿色的颜色。事实上我们看到的太阳虽然本应该呈蓝绿色却被大脑混入了更多了红光,所以最终呈现出的颜色是黄白色。

图2. 3种锥状细胞对各波长的灵敏度

反过来说,如果想要看到绿色的星星,这就要求星星放出的光芒几乎是纯粹的绿色(即峰值在绿色范围且谱图很窄),但是这同样不可能,因为一定温度下黑体辐射光谱总是固定的!

这意味着,不仅是恒星,在地球上的大自然里, 我们永远也不可能通过加热的方式制造出绿色 (金属的焰色反应和荧光等现象虽然可以发出绿光但原理不同)!这也是我们在生活中很少能看到绿色火焰等发光体的原因。