本文主要探讨了为什么星星没有绿色或紫色的现象。天文领域优秀答主@太空僧回答了这个问题,解释了星星的颜色是由其温度和黑体辐射谱决定的,人眼只能看到可见光区的颜色,而且恒星的发光是“广谱”的,所以看不到绿色和紫色的星星。此外,还提到了大气散射和恒星的化学物质对星星颜色的影响。
恒星发出的光波长范围很广,是“广谱”的,所以当绿色很强时,蓝色、黄色、红色波长的光也很强,人眼看来是一种混合的颜色,而不是单一的绿色或紫色。
宇宙尘埃和大气散射会影响星星的颜色,使得看起来的颜色略微偏红。恒星的化学物质也会影响它的颜色,如富碳恒星会吸收蓝紫色,让恒星变成深红色。
抬头仰望夜空,璀璨的繁星颜色各异。然而为什么没有绿色或紫色的星星呢?
一起来看看天文领域优秀答主
@太空僧
的回
答吧
。
为什么星星没有绿色或者紫色的呢?
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答主:
太空僧
知乎上已经很久没有这么好的问题了。
也许你不知道,我们的太阳,在日落时分也可能会变绿,看上去是一个「绿太阳
」
。
儒勒·凡尔纳还
曾以此为题,写过一篇小说《绿光(Le Rayon vert)》。
绿光是非常罕见的现象,通常持续不超过 2 秒
如果先忽略这种大气层折射对颜色的影响,以及多普勒效应、
宇宙膨胀等
,我们能看到绿色或紫色的星星么?
简单地说,作为一个黑体,(在人类看来)星星的颜色是有限的。
下图是(YUV 色彩空间中)假设亮度 Y=0.35 时,星星在不同温度下的颜色:
这里没有绿色,也几乎没有紫色。
所以问题描述的现象是真实存在的。
为什么?
我们知道,星星并不是一种只会发射单色光的「激光星」,几乎所有的恒星,都是「广谱」的。
也就是说,它们会发出各种波长的光,从射电波段(无线电)、到红外、到可见光、到紫外线直到伽玛射线,波长范围非常广。
但我们人眼,只能看到可见光区的颜色。
需要注意的是,即使是可见光区,人眼也只是看个大概,因为用来感知颜色的视锥细胞,
绝大多数人只有感知红、绿、蓝的三种,也就是只能感应 L 长波、M 中波和 S 短波,然后大脑将这三个波段结合,形成了颜色的感知。
也就是说,人眼看到的,是可见光区中各个波长的综合结果。
大家在高中都学过普朗克定律,
也就是黑体辐射率
与频率的关系。还有一个就是维恩位移定律,
关于这 2 个定律以及黑体的基础知识,这里就先略了。只需要能回忆起下面这张图就够了:
从图中能看出,不同温度下的黑体辐射谱是不同的。
随着黑体温度的升高,最大光谱强度会向更短的波长移动。在相对较低的温度下,最大值位于红外区间内,并且我们的眼睛看不到辐射。但随着黑体温度升高,辐射光谱转移到可见光范围内,此可见发射的辐射,表现为黑体开始发光。温度越冷的恒星看起来越是偏红色的,温度越高的恒星越是偏蓝色的。
举例来说,如果一颗恒星,它很冷,比方只有 3000K,那么它发出的辐射大部分都集中在红外线波段,那么在可见光波段的尾巴上,便是红色占大头儿,几乎没有绿色和蓝色,所以看上去是红色的。
如果恒星温度再高一点,那么虽然它发出的辐射大部分仍是红外线,但有更多的可见光了,蓝色和绿色也多出来了,那么经过人眼和大脑一综合,认为看到的光是黄色的。
如果恒星温度再再高一点,那么它发出的辐射的峰值可能会出现在绿色附近(我们的太阳的光谱实际上有一个峰值在大约 500 纳米左右,那里正是绿色),那会不会就是绿色的呢?不会,因为前面说过,恒星的光波长的范围很广,是「广谱」的,当绿色很强时,蓝色、黄色、红色波长的光也很强,在人眼看来,它不是绿色的,而是一种混合的白色。
如果恒星的温度高得离谱,发出的辐射大都是高能射线,是不是就会在可见光段波呈紫色的呢?不会,人眼看到的将会是蓝色。
因为在如此超高能量的辐射中,一定也会带有海量的黄色和红色。
记住,紫色对应的波长比蓝色更短,所以当紫色中混入波长更长的红色和黄色时,人眼会把它看成蓝色。
这一点与画水彩画是不同的,这是一道生物题,而不是美术题。
事实上,在人眼能看到的颜色中,恒星的颜色只占了其中非常窄的一部分。
下图中那个黑色的线,就代表不同温度下的黑体能呈现的颜色。当然,当恒星的温度无限热时,它在人眼中并不会呈现蓝色,而是三种视锥细胞都过曝了,先是看到刺眼的白色,然后就瞎了。
也就是说,由于绿色处于可见光谱的中间位置,所以「绿星」实际看上去是「白星」;而由于普朗克定律和维恩位移定律,所以「紫星」实际看上去是「蓝星」。
这一切的背后,都是人眼对颜色的识别模式决定的。
综上,在前述的正常条件下,人眼是看不到绿色和紫色的星星的。
补充:
考虑到宇宙尘埃以及大气散射的影响,星星发出的蓝色光更容易被散射,因此它们看起来比实际的颜色会略微偏红。另外,构成恒星的化学物质(尤其是金属)也会影响它的颜色,当一个富碳的恒星发光时,它会吸收蓝紫色,从而让恒星变成更加深红。当然,如果像开头那样,创造一个极苛刻的前提条件,什么颜色的星光,都可以搞出来。
题图来源:答主@千帆