Φωτεινότητα:Ορισμός, Εξισώσεις και Παράγοντες.

Πόσο φωτεινό είναι ένα αστέρι; Ενας πλανήτης? Ένα σύμπαν; Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τη λέξη «φωτεινότητα» για να αναπαραστήσουν τη φωτεινότητα αυτών των αντικειμένων ενώ προσπαθούν να δώσουν απαντήσεις σε αυτά τα παζλ. Εξηγεί τη λαμπρότητα ενός αντικειμένου στο διάστημα. Το φως εκπέμπεται από αστέρια και γαλαξίες με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Το είδος του φωτός που αντανακλούν ή ακτινοβολούν αποκαλύπτει το επίπεδο ενέργειάς τους. Εάν το ουράνιο αντικείμενο είναι πλανήτης, θα αντανακλά το φως αντί να το εκπέμπει. Ωστόσο, οι αστρονόμοι αναφέρονται επίσης στις διαπλανητικές φωτεινότητες ως "λαμπρότητα".

Η φωτεινότητα ενός αντικειμένου αυξάνεται με τη φωτεινότητά του. Εκτός από το ορατό φως, ένα αντικείμενο μπορεί να είναι εξαιρετικά φωτεινό σε υπεριώδεις, ακτίνες Χ, ραδιόφωνο, υπέρυθρες, μικροκυμάτων και ακτίνες γάμμα. Συχνά εξαρτάται από την ένταση του φωτός, η οποία μετρά τη δραστηριότητα του αντικειμένου.

Τι είναι το Luminosity;

Σημασία φωτεινότητας:Η φωτεινότητα περιγράφει τη συνολική ενέργεια που παράγεται από διάφορα ηλιακά σώματα (αστέρια, γαλαξίες) ανά μονάδα χρόνου. Ουσιαστικά μετριέται σε watt ή joules ανά δευτερόλεπτο.

Φωτεινότητα =ενέργεια που ακτινοβολείται ή ανακλάται ανά μονάδα χρόνου.

Το απόλυτο βολομετρικό μέγεθος ενός ουράνιου αντικειμένου, συχνά γνωστό ως φωτεινότητα, είναι μια μέτρηση της συνολικής εκπομπής ενέργειας και χρησιμοποιείται για την έκφραση τιμών φωτεινότητας. Το βολόμετρο μπορεί να μετρήσει την ενέργεια φωτός χρησιμοποιώντας μεθόδους θέρμανσης και απορρόφησης.

Εξίσωση φωτεινότητας

Η φωτεινότητα μετρά την ενέργεια που εκπέμπει ένα αντικείμενο, για παράδειγμα, από τον ήλιο ή τους γαλαξίες. Η φωτεινότητα του αστεριού στην κύρια ακολουθία είναι ανάλογη με τη θερμοκρασία του. όσο πιο καυτό είναι ένα αστέρι, τόσο καλύτερα φωτίζει. Από την άλλη πλευρά, τα ψυχρότερα αστέρια εκπέμπουν λιγότερη ενέργεια και είναι πιο δύσκολο να εντοπιστούν στον σκοτεινό ουρανό.

Ο νόμος Stefan-Boltzmann μας παρέχει τον ευθύ τύπο για τη φωτεινότητα των αστεριών. Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, η φωτεινή ενέργεια που εκπέμπεται από ένα σκοτεινό σώμα ανά μονάδα χρόνου είναι ίση με:

P =σ AT4

Πού, 

σ =σταθερά Stefan-Boltzmann (ίσο με 5,670367 × 10-8)

A =εμβαδόν επιφάνειας αντικειμένου (ίσο με 4πR για το σφαιρικό αντικείμενο)

T =θερμοκρασία αντικειμένου (μετρημένη σε Kelvin)

Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μια συντομευμένη εκδοχή αυτού του τύπου για να υπολογίσουν τη φωτεινότητα ενός αστεριού. Μπορούμε να συσχετίσουμε οποιοδήποτε αστέρι με τη φωτεινότητα του ήλιου ως εναλλακτική λύση στον υπολογισμό μιας κατά προσέγγιση τιμής ενέργειας. Η εξίσωση φωτεινότητας προκύπτει στη συνέχεια εξαλείφοντας τις σταθερές:

L/L ⨀ =(R/R ⨀) (Τ/Τ ⨀)

Πού,

L =φωτεινότητα αστεριού

R =ακτίνα αστεριού 

T =θερμοκρασία ενός αστεριού (υπολογισμένη σε Kelvin)

L⨀ =φωτεινότητα του ήλιου, ίση με 3,828 × 10²6 W

R⨀ =ακτίνα του ήλιου, ίση με 695.700 km

T⨀ =θερμοκρασία του ήλιου, ίση με 5778 K

Ενδιαφέρον γεγονός:  Μπορούμε συχνά να εκτιμήσουμε τη φωτεινότητα των αστεριών σε μονάδες φωτεινότητας. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να γράψουμε Lstar =5,2 x Lsun για ένα συγκεκριμένο αστέρι, υποδηλώνοντας ότι το αστέρι παράγει 5,2 φορές περισσότερη ενέργεια ανά δευτερόλεπτο από τον ήλιο.

Παράγοντες που επηρεάζουν τη φωτεινότητα των αντικειμένων

Υπάρχουν δύο σημαντικές μεταβλητές:η πραγματική θερμοκρασία και το μέγεθος του αντικειμένου και η ακτίνα του, R, που επηρεάζει τη φωτεινότητα του αντικειμένου.

Μέγεθος και αποτελεσματική θερμοκρασία: Οι αστρονόμοι εξετάζουν το μέγεθος και την αποτελεσματική θερμοκρασία ενός άστρου για να υπολογίσουν τη φωτεινότητά του. Η φωτεινότητα και η παραγωγή ενέργειας ενός αστεριού αυξάνονται με το μέγεθός του.

Ας υποθέσουμε όμως ότι δύο αστέρια έχουν παρόμοιο μέγεθος αλλά έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες. Σε αυτή την περίπτωση, το αστέρι με υψηλότερη θερμοκρασία θα είναι πιο ακτινοβόλο (φωτεινό) από το αστέρι με χαμηλότερη θερμοκρασία. Η ενεργός θερμοκρασία αντιπροσωπεύεται σε βαθμούς Κέλβιν, άρα ο ήλιος είναι 5777 Κέλβιν. Η θερμοκρασία ενός υπερενεργητικού, μακρινού αστεριού που μπορεί να βρίσκεται στον πυρήνα ενός γιγάντιου γαλαξία, μπορεί να φτάσει τα 10 τρισεκατομμύρια Kelvin. Αυτά τα αστέρια μπορεί να είναι φωτεινότερα σε μία από τις διαφορετικές ενεργές θερμοκρασίες τους. Αλλά επειδή αυτά τα αστέρια είναι τόσο μακριά από τη γη, φαίνονται θαμπά.

Εκτός από αυτούς τους παράγοντες, η φωτεινότητα ενός αστεριού μπορεί επίσης να επηρεαστεί από:

Απόσταση: Οι περισσότεροι άνθρωποι μπορούν να προσδιορίσουν τη φωτεινότητα ενός αντικειμένου πολύ καλά κοιτάζοντάς το. Εάν το αντικείμενο φαίνεται φωτεινό, έχει μεγαλύτερη φωτεινότητα από ότι αν είναι θαμπό. Αλλά αυτή η εξωτερική πτυχή μπορεί να είναι παραπλανητική. Η φαινομενική φωτεινότητα ενός αντικειμένου επηρεάζεται επίσης από την απόστασή του. Μπορεί να αντιληφθούμε ότι ένα μακρινό, εξαιρετικά ενεργητικό αστέρι είναι πιο αχνό από ένα κοντινό αστέρι χαμηλότερης ενέργειας. Ένας άλλος λόγος που ένα αντικείμενο φαίνεται σκοτεινό θα μπορούσε να είναι ότι η σκόνη και το αέριο απορροφούν τον φωτισμό μεταξύ τους και της ατμόσφαιρας της γης.

Έχετε ακούσει; Σύμφωνα με μετρήσεις που έγιναν στη γη, η φαινομενική φωτεινότητα είναι η ποσότητα ενέργειας που εκπέμπεται από το αστέρι ανά τετραγωνικό μέτρο κάθε δευτερόλεπτο. Ως μονάδες χρησιμοποιούνται Watt ανά τετραγωνικό μέτρο (W/m2).

Μέγεθος: Η κατανόηση και ο υπολογισμός του μεγέθους ενός αντικειμένου θα σας βοηθήσει να προσδιορίσετε πόσο φωτεινό είναι. Είναι χρήσιμο να γνωρίζετε αν σας αρέσει να παρακολουθείτε αστέρια, καθώς διευκρινίζει πώς οι παρατηρητές μπορούν να συζητήσουν τη φωτεινότητα ενός αστεριού μεταξύ τους. Η τιμή του μεγέθους υπολογίζει τόσο την απόσταση όσο και τη φωτεινότητα του αντικειμένου. Γενικά, ένας αστρικός δεύτερος μέγεθος είναι περίπου 2,5 φορές πιο φωτεινός (φωτεινός) από έναν τρίτου μεγέθους και 2,5 φορές πιο αμυδρός (θαμπός) από έναν πρώτου μεγέθους. Το μέγεθος γίνεται πιο φωτεινό όσο μικρότερος είναι ο αριθμός.

Για παράδειγμα, ο ήλιος έχει μέγεθος -26,7. Το αστέρι Σείριος έχει μέγεθος 1,46. Αν και είναι 8,6 έτη φωτός μακριά και 70 φορές πιο φωτεινό από τον ήλιο, η απόσταση το έχει κάνει να χάσει μέρος της φωτεινότητάς του. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι ενώ ένα αμυδρό αστέρι που είναι πολύ πιο κοντά μπορεί να «βλέπει» πιο φωτεινό, ένα φωτεινό αστέρι που είναι μακριά μπορεί να φαίνεται αρκετά αμυδρό λόγω απόστασης.

Πληροφοριακά στοιχεία: Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν προηγμένο εξοπλισμό, όπως ένα βολόμετρο, για να μετρήσουν με ακρίβεια τη φωτεινότητα ενός ουράνιου αντικειμένου. Χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον σε ραδιοσυχνότητες στην αστρονομία, ιδιαίτερα στην περιοχή υποχιλιοστών. Αυτά τα όργανα ψύχονται συνήθως σε ένα σημείο πάνω από το απόλυτο μηδέν για να είναι τα πιο ακριβή.

Ηλιακή φωτεινότητα

Ηλιακή φωτεινότητα είναι ο όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει πόση ενέργεια εκπέμπει ο ήλιος κάθε δευτερόλεπτο σε όλες τις διαστάσεις. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν συνήθως την ηλιακή φωτεινότητα ως μονάδα ακτινοβολίας (ισχύς που απελευθερώνεται με τη μορφή φωτονίων) για να μετρήσουν τη φωτεινότητα των αστεριών.

Οι αστρονόμοι συνήθως χρησιμοποιούν την ηλιακή φωτεινότητα, συντομογραφία L, ως μέτρο της ακτινοβολίας ροής για να συγκρίνουν τη φωτεινότητα των γαλαξιών, των αστεριών και άλλων ουράνιων σωμάτων με αυτή του ήλιου.

Σύμφωνα με τη Διεθνή Αστρονομική Ένωση, μια ονομαστική φωτεινότητα του ήλιου ισούται με 3,828 1026 W. Η φωτεινότητα των ηλιακών νετρίνων, η οποία θα συνεισέφερε σε 0,023 L, δεν περιλαμβάνεται σε αυτό. Η πραγματική φωτεινότητα του ήλιου αλλάζει περιοδικά επειδή ο ήλιος είναι ένα αστέρι με μεγάλες διακυμάνσεις. Η κύρια παράμετρος είναι ο ενδεκαετής ηλιακός κύκλος (κύκλος ηλιακών κηλίδων), ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα μια περιοδική διακύμανση περίπου ±0,1%. Πιθανότατα υπήρξαν άλλες, μικρότερες διακυμάνσεις τα τελευταία 200–300 χρόνια.

Φωτεινότητα Σελήνης

Το φως του φεγγαριού αποτελείται κυρίως από ηλιακό φως (με μικρή ποσότητα γήινου φωτός) που αντανακλάται από την επιφάνεια της σελήνης όπου ρέει το φως του ήλιου.

Ενέργεια φωτεινότητας της Σελήνης που εκπέμπει το φεγγάρι κάθε δευτερόλεπτο προς όλες τις κατευθύνσεις. Στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων, εκφράζεται σε lux, μονάδα φωτισμού ή φωτεινή ροή ανά τετραγωνικό μέτρο. Όσον αφορά τα lumens, είναι ένα ανά τετραγωνικό μέτρο.

Ανάλογα με τη σεληνιακή φάση, η ισχύς του σεληνόφωτος ποικίλλει ευρέως, αλλά ακόμη και μια πανσέληνος συνήθως εκπέμπει μόλις 0,05–0,1 lux φωτισμού. Όταν μια πανσέληνος κοντά στο περιήλιο (μια «υπερφεγγάρι») φαίνεται από τους τροπικούς στο ανώτερο αποκορύφωμα, ο φωτισμός μπορεί να πλησιάσει τα 0,32 lux.

Συμπέρασμα

Η ποσότητα του φωτός που εκπέμπει ένα αντικείμενο σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα μετράται ως φωτεινότητα. Ο ήλιος εκπέμπει 3.846 1026 watt φωτός ανά δευτερόλεπτο (ή 3.846 1033 ergs ανά δευτερόλεπτο). Δεδομένου ότι η φωτεινότητα είναι ένα απόλυτο μέτρο της ισχύος της ακτινοβολίας, η τιμή της δεν διαταράσσεται από την εγγύτητα του θεατή σε ένα αντικείμενο. Μια ηλιακή φωτεινότητα είναι ίση με τη φωτεινότητα του ήλιου. Ως εκ τούτου, όταν οι αστρονόμοι μιλούν για τη φωτεινότητα ενός αντικειμένου, συνήθως αναφέρονται σε αυτό με όρους φωτεινής ηλιακής ροής. Εκατομμύρια ηλιακές λαμπρότητες εκπέμπονται από τα φωτεινότερα αστέρια.

Συχνές ερωτήσεις

1. Εξηγήστε το “Luminosity meaning”

Απ. Η φωτεινότητα ενός αντικειμένου, η ποσότητα ενέργειας που εκπέμπει σε μια προκαθορισμένη περίοδο, είναι μια μέτρηση της εγγενούς φωτεινότητάς του. Δεδομένου ότι μετρά την ισχύ εξόδου του αντικειμένου, μπορεί να την εκφράσει σε μονάδες όπως τα Watt. Ωστόσο, οι αστρονόμοι συχνά επιλέγουν να εκφράσουν τη φωτεινότητα συνδέοντάς τες με τη φωτεινότητα του ήλιου (περίπου 3,9 1026 Watt). Αντί για 3,9 1027 Watt, η φωτεινότητα ενός αστεριού θα μπορούσε να γραφτεί ως δέκα ηλιακή φωτεινότητα (10 L⊙).

2. Ποιο είναι το φαινομενικό και το απόλυτο μέγεθος;

Απ. Το φαινομενικό μέγεθος είναι ο φωτισμός του ουράνιου σώματος όπως εμφανίζεται στον ουρανό όταν το βλέπουμε, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι. Το απόλυτο μέγεθος μετρά την εγγενή φωτεινότητα του αντικειμένου. Το απόλυτο μέγεθος στην πραγματικότητα δεν «ανησυχεί» για την απόσταση. ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι ο θεατής, το αστέρι ή οι γαλαξίες θα εξακολουθούν να εκπέμπουν ίση ποσότητα ακτινοβολίας. Εξαιτίας αυτού, είναι πιο χρήσιμο να κατανοήσουμε πόσο φωτεινό, ζεστό και μεγάλο είναι ένα αντικείμενο.

3. Τι είναι η φασματοσκοπία και πώς τη χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να διερευνήσουν τη φωτεινότητα των άστρων;

Απ. Οι αστρονόμοι «τεμαχίζουν» το εισερχόμενο φως σε διαφορετικά μήκη κύματος χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο ή φασματοσκόπιο για να διερευνήσουν τα διάφορα μήκη κύματος φωτός από αστρονομικά σώματα. Αυτή η τεχνική, γνωστή ως "φασματοσκοπία", παρέχει εξαιρετική εικόνα των μηχανισμών που προκαλούν το φωτισμό των αντικειμένων.