为什么星星没有绿色或者紫色的呢?
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,做为一个黑体,(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?
星星的颜色
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」 ,而这一切的背后,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。
「划重点」:
1. 恒星是广谱光源,会同时发出红、绿、蓝等多种波长的光 ,人眼最终看到的是这些颜色混合后的综合结果;
2. 当绿色波段的辐射很强时,其他波段的辐射也很强, 混合后人眼感知为白色,而不是绿色 ;
3. 同理, 极高温恒星的辐射偏向蓝紫色 ,但混入红黄光后,人眼只会看到蓝色,而不是紫色。
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