怎么生成恒星的理论光谱

这个问题有点大。其实我当前并没有弄清楚生成恒星理论谱的详细过程,对怎么生成理论谱的理解应该是似是而非的。毕竟根据模型来生成理论谱的全过程相对复杂,想要完全搞清楚还是要花一番工夫。GitHub上和相关的文献里已经有一些已知的可以用来生成理论谱的工具以及相应的文档。通过这些文档的帮助,我们可以相对轻易的生成理论谱。但是弄明白具体的原理,我认为仍然是相当重要的。至少能让我们避免低级的错误。

本文将会持续更新,根据作者的认识不断补充完善相关内容。如果有读者关注这些内容的话,其必须要有自己的判断力。受限于作者的水平,所写内容可能是不完善甚至是错误的。这些错误随着作者认识的深入,可能会不断发现并被改正。但是作者也可能始终没有意识到其中的错误,这样的问题只能依赖读者来指正了。

恒星光谱的产生

根据简单的物理常识,我们知道,处于热平衡状态下的辐射场,其能流密度随波长的分布将会满足黑体谱的辐射特征。也就是说光谱上我们看不到明显的发射线和吸收线特征,而只有一个连续的黑体辐射特征。

处于热平衡状态的辐射场是一种相当特殊的情况。物理学教材中常用的一个例子是在一个光学厚的空腔中,其辐射特征将是满足黑体谱的;这时候我们如果在空腔上开一个小孔,从中引出的辐射将会是黑体辐射。类似的,从光学厚的固体或者液体表面自发产生的辐射,也可以大致认为是黑体辐射。

但是光学厚,热平衡是一个相对罕见的情形。至少对恒星来讲,其表面有一个相当厚度的光学薄的壳层,这个壳层会吸收从内部产生并逐渐传递出来的辐射。一般来讲,辐射场的温度(这种情况下,辐射场的温度可能没法有一个非常好的定义)和某个壳层的气体的温度是不同的,因此整个系统断不是出于热平衡的状态。这一点和一根烧红的铁棒差别很大,铁棒内部由于非常高的热传导效率,我们可以认为其内部温度是处处相同的。辐射场在和物质的相互作用过程中,也很快达到热平衡。所以对于如铁这样的固体,其温度分布的不均匀,可能只出现在表面非常薄的一层姑且可以认为是光学薄的区域。由于极高的热传导效率,这层区域是如此之薄,以至于对从内部传递到表面的辐射,只能产生非常少的吸收和再辐射过程。甚至由于极高的热传导效率,对外的辐射可以被认为只从最表面的一层出来的。因此整个光谱大致可以被认为是黑体谱。

但是对于恒星表面的气体,情况变的很不相同。对恒星来讲,热传导效率相对较低,恒星内部的能量传递主要以辐射传递为主。在恒星的核心区域,核聚变过程不断产生新的能量。这些能量不断从内部传递到表面,构成恒星辐射的来源。在恒星的色球层之下,气体的温度满足从核心往外越来越低的分布。这样的温差分布导致恒星内部产生明显的能流方向,即内部核聚变产生的能量不断的传递到表面。

在能量以辐射的形式从内部传递到表面的过程中,我们实际上要考虑的是一个辐射转移过程。在辐射从中心产生,向外传递的过程中,光子穿过一定厚度的气体后,将会被这些气体吸收。这些气体本身也会产生辐射。最终是求解辐射在穿过所有的介质后,其能流密度随波长的分布。

在辐射转移的过程中,包含各种可能的机制,这里我们仅仅关心谱线的吸收和发射过程。

Visits: 64

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

*