Re: Spettro continuo della fotosfera solare

From: Giorgio Pastore <pastgio_at_units.it>
Date: Fri, 29 Dec 2023 14:15:13 +0100

Il 29/12/23 11:28, Elio Fabri ha scritto:
> Giorgio Bibbiani ha scritto:
> > Io intervengo solo perché per ora non vedo altre risposte...
> > Se la fotosfera è con buona approssimazione assimilabile
> > a un corpo nero (dato che assorbe gran parte della radiazione che
> > dall'esterno incida su di essa), allora lo spettro di emissione sarà
> > con altrettanta approssimazione quello di un corpo nero alla
> > data temperatura, per motivi puramente termodinamici, indipendentemente
> > da quale sia lo stato di aggregazione della materia che costituisce
> > la fotosfera.
> Non sono intervenuto prima per varie ragioni, solo una delle quali è
> che non sapevo che cosa scrivere.
> Una cosa di cui sono sicuro è che l'atrofisica stellare è terribilmente
> complicata.
...
E le atmosfere stellari, se possibile, sono tra gli argomenti più
complicati. Anch'io non sono intervenuto su una domanda apparentemente
così semplice perché avevo bisogno di un po' di tempo per rinfrescare
ricordi molto antichi. Nei miei studi universitari ho seguito e
sostenuto con successo un esame di Fisica Solare, principalmente
centrato su spettri stellari e trasporto radiativo. Ma è passato quasi
mezzo secolo e da un lato i neuroni poco utilizzati tendono a
dimenticare, dall' altro volevo aggiornarmi su cosa è successo nel
frattempo sul fronte teorico.

> La complicazione molteplice sta nel fatto che bisogna tener conto di
> un sacco di fatti diversi (entra in ballo un sacco di fisica).
> Un bel po' di dati sono incerti, non è sempre chiaro quali
> schematizzazioni si possano fare...
> Nel tempo gli astrofisici se la sono cavata costruendo dei "modelli",
> traducendoli in programmi per computer (di solito parecchio complicati
> e comprensibili solo da chi li ha creati).
....

Beh, questo è vero anche in altri campi. Per lo meno tutti quelli dove i
"conti retro della busta" sono troppo primitivi per poter descrivere
situazioni complesse. La complessità delle atmosfere steallari sta in
due parametri importanti:

1. la moltitudine di "componenti". Un modello che voglia dar conto degli
spettri osservati deve trattare un sistema di N componenti diverse, dove
una famiglia di componenti è il gas di fotoni a diverse lunghezze
d'onda, e l'altra le diverse popolazioni di particelle, in cui contano
come componenti non solo tutti gli elementi chimici presenti in un'
atmosfera stellare (e in acluni casi anche polveri), ma per ogni
componente ci saranno ioni a diversi livelli di ionizzazione.

2. la variazione con lo stato fisico (temperatura, densità e
composizione), e quindi con la distanza dal centro stellare, di quali
aspetti sono ben trattati da una teoria di equilibrio termodinamico
locale e quali no.

> Se negli ultimi (diciamo) 30 anni le cose siano sostanzialmente
> cambiate, non lo so.

Direi soprattutto per quanto riguarda la trattazione di effetti al di
fuori dell'approssimazione di equilibrio termodinamico locale (LTE).
L'impianto di fondo, incluso il bisogno di ricorrere al calcolo numerico
per estrarre informazioni utili dai mmodelli, non mi sembra
sostanzialmente modificato.

> Si sa che per stelle non troppo diverse dal Sole la fotosfera è assai
> sottile: diciamo 200 km con un raggio solare di circa 7x10^5 km.
> Tuttavia la fotosfera è tutt'altro che omogenea: per es. la
> temperatura cambia un bel po', crescendo dall'esterno verso l'interno.
> Quindi assimilare la fotosfera a un corpo nero appare problematico,
> eppure è un fatto che lo spettro continuo non si scosta molto dalla
> distribuzione di Planck (i 5700 K che dice Alberto).
....
> È naturale chiedersi quale sia il meccanismo con cui viene emesso lo
> spettro continuo. Leggo che lo spettro continuo nel visibile, almeno
> per stelle tipo Sole, è dovuto alla formazione di ioni H^- con un
> atomo neutro di H che cattura un elettrone. Si ha uno spettro continuo
> perché gli elettroni hanno energia cinetica positiva che va da zero a
> un massimo (v. appresso) mentre l'energia di legame dello ione è 0.75
> eV. Di conseguenza lo spettro conitnuo va dall'infrarosso (0.75 V) al
> vicino UV (4 eV) quest'ultimo limite essendo dovuto alle possibili
> energie cinetiche di un gas di elettroni a 5800 K.

Provo a dare la mia risposta alla domanda originale. Quello che hai
scritto è corretto ma, in un certo senso va oltre la domanda originale.
Anche la risposta di Giorgio Bibbiani contiene parte della storia ma
richiede una precisazione.

In un certo senso la parte più semplice della questione è perché la
radiazione che ci arriva dagli strati non-opachi dell'atmosfera
assomiglia fortemente alla radiazione di corpo nero. Da notare che non
lo è esattamente e questo è osservativamente visibile nella presenza
delle cosiddette righe di Fraunhofer nello spettro solare. Righe di
assorbimento che ci ricordano che quello che vediamo non è esattamente
la radiazione emessa da un foro di una cavità contenete radiazione all'
equilibrio. Le righe di Fr. non sono la sola deviazione, ma quella più
evidente.

Se però prescindiamo dalle deviazioni (per dar condo delle quali è
necessaria la teoria completa del trasporto radiativo nelle atmosfere
che include le tue osservazioni sui meccanismi di emissione dello
spettro continuo), resta la domanda del perché in prima approssimazione
osserviamo una radiazione di corpo nero. Qui le cose sono un po' più
semplici. E, così come per la radiazione che esce dal foro di una cavità
all'equilibrio non è necessario entrare nel merito della costituzione
fisica delle pareti, anche per la parte blackbody della radiazione
stellare, i processi che entrano in gioco sono irrilevanti. Quello che
invece è essenziale è che quello che vediamo è (anche questo lo scrivi
nella tua risposta) la parte di radiazione che "sfugge" dagli strati
della fotosfera. Radiazione che arriva dagli strati più interni in cui
essendo il cammino libero medio dei fotoni minore della distanza tra
particelle in grado di assorbire e riemettere fotoni, la componente
fotonica ha modo di termalizzare alla temperatura locale dando luogo con
buona approssimazione ad una radiazione di corpo nero alla temperatura
della base della fotosfera.

Questa possibilità di termalizzazione, è il principale motivo per la
rilevanza del corpo nero quando si parla di radiazione stellare. Il
fatto che quasi tutta la radiazione che si spedisce sul sole venga
assorbita, pur essendo una caratterizzazione della superficie del corpo
nero, gioca un ruolo minore rispetto alla richiesta di equilibrio
termodinamico della radiazione. Di fatto anche spedendo luce verso il
foro di uscita di un laser si potrebbe dire che questa viene quasi
completamente assorbita. Ma ciò non toglie che la distribuzione
spettrale della luce del laser non è assimilabile a quella di un corpo
nero neanche lontanamente.

Ovviamente c'e' una tonnellata di polvere che ho messo sotto il tappeto.
con questa risposta. In particolare, occorre la teoria per giustificare
le ipotesi di LTE in un'atmosfera stellare.

Giorgio
Received on Fri Dec 29 2023 - 14:15:13 CET