Πως ερμηνεύεται το ορατό φάσμα του Ήλιου;

Συχνές ερωτήσεις, Φεβρουάριος 2005

Το φως από τη στιγμή που θα παραχθεί στο κέντρο του Ήλιου από πυρηνικές αντιδράσεις, ακολουθεί μια βασανιστική δαιδαλώδη πορεία, με συνεχείς υποβιβασμούς στη συχνότητά του, μέχρι να πάρει στην επιφάνεια τη γνώριμή μας οπτική μορφή του.

Αρχικά στον πυρήνα του Ήλιου συμβαίνουν πυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης, δηλαδή ελαφροί  πυρήνες υδρογόνου συνενώνονται για να σχηματίσουν βαρύτερους πυρήνες ηλίου, σύμφωνα με την αντίδραση:  4 ¹₁Η --> ⁴₂Ηe + 2e⁺ + γ +ν

Κατά τις αντιδράσεις αυτές, η μάζα των προϊόντων της αντίδρασης είναι μικρότερη της μάζας των αντιδρώντων σωματιδίων. Η μάζα λοιπόν που φαίνεται να λείπει στα προϊόντα, έχει μετατραπεί σε ενέργεια, σύμφωνα με την περίφημη σχέση της σχετικότητας περί ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας E = mc². Ανάμεσα στα  προϊόντα τέτοιων συντήξεων είναι και φωτόνια ακτίνων γ, πολύ υψηλής ενέργειας καθώς και νετρίνα - σωματίδια με πολύ μικρή μάζα και ίσως μηδενική - τα οποία μεταφέρουν όμως σημαντικές ποσότητες ενέργειας. 

Εντός του Ήλιου, τα φωτόνια αυτά υψηλής ενέργειας (αόρατο φως προερχόμενο από την περιφέρεια του ηλιακού πυρήνα), ακτινοβολεί το αμέσως επόμενο στρώμα του Ήλιου μετά τον πυρήνα που λέγεται ζώνη ακτινοβολίας. Η θερμοκρασία της ζώνης ακτινοβολίας είναι τόσο υψηλή, ώστε η ύλη σ' αυτήν βρίσκεται υπό μορφή πλάσματος, δηλαδή εκεί τα άτομα έχουν απογυμνωθεί στην πλειοψηφία τους από τα ηλεκτρόνιά τους και υπάρχουν συνεπώς ελεύθερα ηλεκτρόνια και αρκετοί ελεύθεροι πυρήνες υδρογόνου. Η ύλη όμως στην περιοχή αυτή έχει και μια πολύ υψηλή πυκνότητα λόγω του έντονου βαρυτικού πεδίου. Τα φωτόνια λοιπόν των ακτίνων γ σκεδάζονται πολύ συχνά από τα ελεύθερα ηλεκτρικά φορτία της περιοχής και εκτρέπονται πολύ συχνά από την πορεία τους σε ένα διαρκές ζικ-ζακ. Ως αποτέλεσμα των σκεδάσεων αυτών πάντως, μειώνεται η συχνότητα των αρχικών φωτονίων, αφού μεταβιβάζουν μέρος της ενέργειάς τους στα ηλεκτρόνια με τα οποία συγκρούονται. Και πάλι όμως τα φωτόνια μέσα σ' αυτή τη ζώνη έχουν πολύ υψηλή ενέργεια, της περιοχής των ακτίνων Χ του φάσματος, και με κανένα τρόπο δεν ανήκουν στο ορατό μέρος του φάσματος που μπορεί να αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι. 

Η αμέσως επόμενη προς τα έξω περιοχή του Ήλιου, λέγεται ζώνη μεταφοράς, αποτελεί τρόπον τινά τον μανδύα του Ήλιου, και έχει ακόμα χαμηλότερη θερμοκρασία από τις προηγούμενες. Η περιοχή αυτή είναι σχεδόν αδιαφανής στα φωτόνια που έρχονται από τη ζώνη ακτινοβολίας. Η ύλη δηλαδή αυτής της ζώνης απορροφά τα προηγούμενα φωτόνια και μετατρέπει αυτές τις ακτίνες σε θερμότητα καθώς τις απορροφά, δηλαδή τις μετατρέπει σε θερμική ενέργεια και θερμική ακτινοβολία, η οποία όμως είναι πάλι υψίσυχνη και δεν μπορεί να την αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι. Οι συχνότητες πάντως της θερμικής ακτινοβολίας αποτελούν μια συνεχή περιοχή του φάσματος. Στον μανδύα δημιουργούνται επίσης ρεύματα διάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό του, τα οποία μεταφέρουν την παραγόμενη θερμότητα προς τα έξω, προς την φωτόσφαιρα, δηλαδή προς περιοχή με χαμηλότερη θερμοκρασία, ενώ συγχρόνως όπως είπαμε, εκπέμπει και φωτόνια μικρότερης ενέργειας και συχνότητας, με συνεχές φάσμα, που όμως δεν είναι ούτε αυτά ορατά στο ανθρώπινο μάτι. 

Στις πυκνότητες και θερμοκρασίες που είναι χαρακτηριστικές για το εσωτερικό του Ήλιου, το υλικό είναι σχεδόν εντελώς αδιαφανές. Αυτός είναι και ο λόγος που δεν μπορούμε να δούμε στο εσωτερικό του Ήλιου. Το πεδίο ακτινοβολίας και η ύλη στο εσωτερικό του Ήλιου βρίσκονται σχεδόν σε θερμοδυναμική ισορροπία. Οι ακτίνες γ και οι ακτίνες Χ στο εσωτερικό του Ήλιου, έχει υπολογιστεί ότι διανύουν κατά μέσο όρο μισό εκατοστόμετρο, πριν συγκρουστούν μ' ένα σωματίδιο ύλης και είτε απορροφηθούν και εν συνεχεία επανεκπεμπφθούν είτε σκεδαστούν σε τελείως διαφορετική κατεύθυνση. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα και αν είχαμε την όραση του Σούπερμαν με ακτίνες Χ, δεν θα μπορούσαμε να δούμε πέρα από τη μύτη μας στο εσωτερικό του Ήλιου.
Οι συνθήκες μέσα στον Ήλιο είναι μια καυτή κόλαση με μια άτακτη κίνηση σωματιδίων και φωτονίων που τρέχουν πάνω κάτω, συγκρούονται βίαια μεταξύ τους και γενικά παρουσιάζουν μια ελάχιστη μετακίνηση προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Εκτελώντας αυτή τη βασανιστική διαδρομή τα φωτόνια, υπόκεινται σε πολλές αλληλεπιδράσεις με την ύλη και μετασχηματίζονται κάθε φορά σε ολοένα χαμηλότερη ενέργεια και συχνότητα.
Ένα φωτόνιο έχει πάρα πολύ μικρή πιθανότητα να διασχίσει την εσωτερική περιοχή του Ήλιου ακολουθώντας την  αρχική του πορεία. Εκτιμάμε ότι για να μπορέσει ένα αρχικό φωτόνιο να διασχίσει την περιοχή ακτινοβολίας μετά από τεράστιο αριθμό σκεδάσεων που θα υποστεί, χρειάζεται 30.000 χιλιάδες χρόνια. Αν ακολουθούσε μια απευθείας πορεία, από το κέντρο του Ήλιου ως την επιφάνεια θα χρειαζόταν μόλις 2 δευτερόλεπτα. 

Η ακτινοβολία που εμείς και τα τηλεσκόπιά μας αντιλαμβανόμαστε προέρχεται από το επιφανειακό στρώμα του Ήλιου που λέγεται φωτόσφαιρα. Η θερμότητα και τα φωτόνια περνούν από τον ηλιακό μανδύα στο αμέσως υπερκείμενο στρώμα που ανήκει πια στην επιφάνεια του Ήλιου και είναι η φωτόσφαιρα. Η θερμοκρασία εδώ είναι της τάξης των 5.800^οC και οι στάθμες ενεργειών των ατόμων που είναι κατειλημμένες σε αυτές τις θερμοκρασίες οδηγούν σε εκπομπή φωτονίων στο ορατό μέρος του φάσματος κατά την αποδιέγερσή τους. Η φωτόσφαιρα είναι δηλαδή αρκετά ψυχρότερη από τα υποκείμενα στρώματα και αποτελείται από ουδέτερα κυρίως άτομα και ιόντα, τα οποία ακτινοβολούν πια και στο ορατό μέρος του φάσματος. 

Όταν όμως παρατηρήσουμε με φασματογράφο μεγάλης διακριτικής ικανότητας το φως που προέρχεται από τη φωτόσφαιρα θα δούμε ότι υπάρχουν και μερικές εκατοντάδες τουλάχιστον σκοτεινών γραμμών στο φάσμα. Ας δούμε γιατί:
Στη φωτόσφαιρα, μερικά φωτόνια προερχόμενα από το εσωτερικό, που έχουν τα κατάλληλα μήκη κύματος, θα απορροφηθούν από τα άτομα και τα τελευταία θα διεγερθούν σε ανώτερες στάθμες ενέργειας. Το διεγερμένο άτομο μπορεί εν συνεχεία να αποδιεγερθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους. 

Μπορεί να γίνει αποδιέγερση μέσω κρούσεων, όπου η ενέργεια που ελευθερώνεται απάγεται ως κινητική ενέργεια των συγκρουσθέντων σωματιδίων. Επειδή η θερμοκρασία του αερίου στις ανώτερες αυτές στιβάδες του Ήλιου είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη θερμοκρασία του αερίου των φωτονίων που αναδύονται από τις χαμηλότερες στιβάδες, είναι στατιστικά περισσότερες οι διεγέρσεις λόγω ακτινοβολίας που ακολουθούνται από αποδιεγέρσεις μέσω κρούσεων, παρά οι διεγέρσεις λόγω κρούσεων που ακολουθούνται από αποδιεγέρσεις μέσω ακτινοβολίας. Συνεπώς έχουμε περισσότερη απορρόφηση φωτός απ' ότι εκπομπή. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η αφαίρεση μερικών μηκών κύματος από το προηγούμενο πεδίο ακτινοβολίας που όπως είπαμε είχε συνεχή μορφή. Αυτός ο μηχανισμός λοιπόν μας παράγει μερικές σκοτεινές γραμμές πάνω στο συνεχές φάσμα, και είναι ένας βασικός μηχανισμός που προκαλεί αληθινή απορρόφηση του φωτός.

Στη φωτόσφαιρα επίσης,το διεγερθέν άτομο μέσω απορρόφησης φωτονίου, μπορεί να αποδιεγερθεί εκπέμποντας και  πάλι ένα φωτόνιο με διακριτή συχνότητα, αλλά σε διαφορετική, τυχαία κατεύθυνση σε σχέση με το αρχικό φωτόνιο. Αυτή η διαδικασία της "σκέδασης με συντονισμό" όπως λέγεται, παρόλο που δεν αποτελεί αληθινή απορρόφηση, μπορεί επίσης να οδηγήσει στην εμφάνιση μιας σκοτεινής γραμμής στο φάσμα. Και αυτό γιατί υπάρχει στατιστικά μεγαλύτερη τάση για φωτόνια που αρχικά πορεύονταν κατά μήκος της ευθείας παρατήρησης προς εμάς στη Γη, να επανεκπεμφθούν με τον μηχανισμό αυτόν έξω από την ευθεία παρατήρησης, παρά για φωτόνια που αρχικά δεν ήταν σ' αυτή τη διεύθυνση να σκεδαστούν με το μηχανισμό σκέδασης με συντονισμό κατά μήκος της ευθείας παρατήρησης. 

Γενικά λοιπόν, σκοτεινές γραμμές στο συνεχές φάσμα δημιουργούνται από το συνδυασμό, τόσο "αληθινής απορρόφησης" όσο και από " σκέδαση με συντονισμό"