לבנה, צהובה או אולי בכלל שחורה? כששואלים פיזיקאים שאלות פשוטות מקבלים תשובות מורכבות

זאת אחת מהשאלות הפשוטות שכל ילד יודע לענות עליהן, ורק הפיזיקאים מוכרחים לסבך: מה הצבע של השמש? התשובה היא שהאור מהשמש הוא לבן, אבל גם קצת צהוב, והשמש היא בכלל גוף שחור.

מבולבלים? נתחיל בזה שהשמש שלנו היא כדור ענק של מימן והליום (ועוד כמה סוגי אטומים באחוזים נמוכים מאוד). הרדיוס שלה הוא 700 אלף קילומטר – קצת יותר מפי מאה מכדור הארץ. בליבת השמש הטמפרטורה מגיעה ליותר מעשרה מיליארד מעלות, ושם מימן הופך להליום בהיתוך גרעיני שפולט כמויות אדירות של אנרגיה. האנרגיה הזאת מחלחלת החוצה מבעד למאות אלפי הקילומטרים של הגז הלוהט ומגיעה לפני השטח של השמש, שם היא נפלטת בתור קרינה מגוונת שכוללת אור נראה, אור תת-אדום וקרינה על-סגולה. הטמפרטורה של פני השטח של השמש  היא רק כ-5,000 מעלות צלזיוס, והגז החם על פני השטח של השמש הוא שפולט את הקרינה שאנחנו רואים.

אם כך, מהו הצבע של השמש? במובן הרחב ביותר, השמש פולטת אור לבן, כלומר אור שמורכב מכל הצבעים. אפשר לראות את זה בקלות אם מעמידים מול אור השמש מנסרה משולשת או צופים בקשת בענן. אור השמש שעובר בזכוכית או בטיפות מים נשבר, כלומר משנה כיוון, וכל צבע ממשיך את דרכו בזווית שונה מעט, כך שאנו רואים את כל הספקטרום של האור הנראה.

השמש פולטת קרינה גם באורכי גל שאיננו יכולים לראות בעינינו. באורכי הגל הארוכים יותר, שמעבר לצבע האדום, נמצאת קרינה תת-אדומה; באורכי גל קצרים יותר מהצבע הסגול נמצאת הקרינה העל-סגולה, שעלולה לגרום לכוויות ולסרטן כשהיא פוגעת בעורנו.

השמש השחורה

אז אור השמש מכיל את כל הצבעים, אבל האם כולם מגיעים באותה כמות?

מתברר שלא. השמש פולטת קרינה בתהליך שנקרא פליטת גוף שחור. בפיזיקה, גוף שחור הוא גוף שאינו מחזיר אור בכלל, אלא רק פולט קרינה בגלל אנרגיית החום שלו. לדוגמה, פיסת ברזל בטמפרטורת החדר אינה מייצרת אור נראה כלל. אבל אם נחמם אותה היא תהפוך אדומה, צהובה, ולבסוף תתלבן. פיסת ברזל בטמפטורה של אלפי מעלות יכולה לפלוט קרינה דומה מאוד לזאת שמגיעה מהשמש.

בתהליך של "פליטת גוף שחור", העוצמה של כל צבע שנפלט קשורה רק לטמפרטורה של הגוף. לא משנה מה צורתו, ממה הוא עשוי ומה מצב הצבירה של החומר. מטיל ברזל וכדור ענק של גז מימן פולטים קרינה זהה, אם כי כמובן בעוצמה שונה. אם אנחנו יודעים את הטמפרטורה, נוכל לחשב בדיוק איזה אחוז יחסי של עוצמה יהיה לכל צבע שנפלט מהגוף השחור.

במקרה של השמש שלנו, הצהוב הוא הצבע החזק ביותר. מדידה של עוצמת הצבעים השונים מאפשרת לחשב את טמפרטורת השמש גם בלי להנחית עליה חללית עם מדחום.

נוסף על האור שנפלט בתהליך גוף שחור, אטומים שונים פולטים או בולעים צבעים ספציפיים בצורה ייחודית לכל חומר, בשל האלקטרונים שעוברים מרמת אנרגיה אחת של האטום לאחרת. לכל אטום רמות אנרגיה שונות וייחודיות לו, וכל מעבר כזה מלווה בבליעה או בפליטה של אור בצבע (אורך גל) מסוים. מדידה מדויקת של הפליטה או הבליעה של הצבעים מאפשרת לזהות גם מהם החומרים שמהם מורכבת השמש.

אם נמדוד מהחלל את צבע השמש (ליתר דיוק את הרכב הצבעים שלה), הוא יהיה שונה מעט מהרכב הצבעים שנמדוד על פני כדור הארץ, בתוך האטמוספרה. שכבת האוזון, למשל, מסננת את רוב הקרינה העל-סגולה, והאוויר שחלקי האבק שבו מפזרים חלק מהאור שמגיע אלינו, מפזר חלק מהאור הנראה. האוויר מפזר אור כחול בקלות יותר מאשר אור אדום (בתהליך שנקרא "פיזור ריילי"). לכן, במהלך היום השמיים נראים כחולים.

השמש עצמה נראית מכדור הארץ קצת יותר אדומה לעומת המראה שלה מהחלל, אבל קשה מאוד לזהות את ההבדל בעין בלתי מזוינת (ובלאו הכי מסוכן להסתכל על השמש ישירות). בזמן השקיעה והזריחה, לעומת זאת, השמש קרובה לאופק והאור שמגיע אלינו עובר דרך ארוכה באטמוספרה ופוגש כמות גדולה של אוויר וחלקיקי אבק. במקרה הזה הפיזור של האור הכחול מתגבר וכמעט כל האור הסגול, הכחול והירוק מתפזרים בדרך. לכן אור השמש השוקעת והזורחת נראה כתום ואדום. מאותה סיבה גם הירח נראה אדום כשהוא זורח או שוקע.

בשקיעה ובזריחה כמעט כל הירוק, הכחול והסגול מתפזרים, ואנו רואים בעיקר כתום ואדום | צילום: Shutterstock
בשקיעה ובזריחה כמעט כל הירוק, הכחול והסגול מתפזרים, ואנו רואים בעיקר כתום ואדום | צילום: Shutterstock

הצבע של היקום

האם אפשר ללמוד מצבעה של השמש משהו על צבעם ותכונותיהם של כוכבים (שמשות) אחרים? התשובה היא כן, בהחלט. מדידת העוצמה של כל צבע של האור שמגיע מכוכבים אחרים מאפשרת לאסטרונומים לחקור את היקום שלנו. מכיוון שגם כוכבים אחרים הם כדורי גז שפולטים קרינת גוף שחור, צבע האור שהם פולטים מספיק לנו כדי לדעת את הטמפרטורה שלהם. כוכבים אדומים הם קרים יחסית, ואילו הכוכבים הכחולים לוהטים במיוחד. כוכבים שפולטים יותר אור צהוב (בערך באמצע הדרך בין אדום לכחול) יהיו דומים לשמש שלנו מבחינת הטמפרטורה שלהם.

כדי למדוד את העוצמה של כל צבע, אסטרונומים מכוונים טלסקופים גדולים לכוכבים או גלקסיות רחוקות, ומרכזים את האור לתוך מנסרה או גביש שמפצלים את האור לכל מרכיביו. רצף הצבעים המתקבל נקרא "ספקטרום", ותהליך מדידת הספקטרום נקרא "ספקטרוסקופיה".

בעבר נהגו אסטרונומים לצפות בספקטרום האור על מסך או להקרין אותו על חומר רגיש. כיום מודדים את עוצמת הצבעים השונים בעזרת חיישנים מדויקים, כמו אלה שקיימים במצלמות דיגיטליות, ומקבלים תמונה של כמות האור המדויקת בכל צבע. בעזרת ספקטרוסקופיה אנו יכולים למדוד את הטמפרטורה של כל כוכב ואת המרכיבים שלו, על פי "קווים" שמופיעים בספקטרום בעקבות בליעה או פליטה של אטומים מסוימים על פני השטח של הכוכב.

 

תגובה אחת

  • אנונימי

    פשוט ונהדר. תודה :)