Qual é a intensidade radiante da esfera celeste?


7

Especificamente, excluindo o Sol e a Lua:
quanta energia, como a luz e outras frequências, atinge um ponto no espaço em média, se você somar todas as fontes como estrelas distantes, a Via Láctea, galáxias distantes, nebulosas etc.? Quão mais brilhante é o espaço do que a "escuridão perfeita", em média?

Digamos, desenvolvemos uma bateria solar mágica que possui 100% de eficiência, pode absorver todas as frequências eletromagnéticas, é esférica, totalmente omnidirecional e possui 1m2da superfície da seção transversal (raio de 56cm); nós a enviamos a meio caminho para o Proxima Centauri e medimos quanta energia ela produz - quantos watts obteríamos da bateria utilizando toda a luz das estrelas disponível?

Nota: Se "todas as frequências" não puderem ser obtidas com facilidade, a contrapartida luminosa aos valores radiantes estará correta (apenas levando em consideração o espectro visível).


A densidade de potência de toda radiação EM em um determinado ponto no espaço vai depender da distribuição precisa das fontes EM (ou seja, quão distante e em que direção). Claramente, se você estiver muito próximo, por exemplo, ao Sol, a densidade de energia será diferente do que se você estiver a um ano-luz de distância -1r2fator é importante.
— StephenG

@ StephenG: Definitivamente um ano-luz de distância ou mais. Solicitei especificamente excluir as "fontes locais" - "No meio do caminho para Proxima Centauri", mas uma interpretação menos "ficção científica" seria "enquanto em órbita, durante Lua Nova, com a nave do lado noturno, aponte um ângulo amplo . luz metros de distância da Terra e lê-lo para fora quantos watts / steradian ou lumens / steradian faz ler (multiplicar por 4pi para o céu todo)?.
— . SF

Você pode resolver isso sozinho. Você sabe o quão luminoso é o Sol, sua magnitude e a magnitude das outras estrelas (você pode ajustar a mudança que está ocorrendo a meio caminho de Proxima). Você também sabe que magnitude é uma escala logarítmica. Exponencial, acrescente, e é praticamente isso. Eu posso ajudar (informações de contato no perfil), embora não faça isso por você.
— Barrycarter 19/05/19

11
BTW, para quem votou para fechar isso como muito amplo: "muito amplo" é se a resposta necessária for muito longa para um site de perguntas e respostas. Aqui a resposta é literalmente um único número, mais a unidade. Algo como "2,7 Watt / m ^ 2" ou "11 lúmens" - números obviamente compostos porque eu não conheço os corretos.
— SF.

11
Esta resposta do site de física pode responder à sua pergunta: [ physics.stackexchange.com/questions/196366/… (Resposta)
— Agerhell

Respostas:


9

A densidade de energia eletromagnética é dominada pelo fundo cósmico de microondas e pelo fundo óptico / infravermelho. Esta resposta da Física SE , contém o gráfico abaixo, mostrando a contribuição da densidade de energia em diferentes frequências. Você pode integrar isso "a olho nu" para ver que a contribuição do CMB é a maior seguida de perto por um aumento óptico / IR.

Uma trama de νIν(proporcional à densidade de energia por intervalo de frequência logarítmica), extraído de Hill et al. (2018)

insira a descrição da imagem aqui

O CMB é uma radiação aproximadamente isotrópica do corpo negro com uma temperatura de 2,73 K e, portanto, uma intensidade específica de Iν=2hν3c21exp⁡[hν/kBT]−1$

A integral disso em todas as frequências é

u=8π5(kBT)415(hc)3=4.2×10−14  J m−3

Em termos de poder, apenas multiplicamos por c para obter 1.3×10−5 Wm−2.

Observe que você não pode aproveitar isso a menos que tenha um receptor mais frio que o CMB.

Você pode fazer um cálculo aproximado da contribuição da luz de fundo ótica observando que o céu escuro em um site astronômico bom e escuro é de cerca de 22 mag por arco quadrado de segundo na banda V. Somente cerca de 0,1-0,2 mag deste valor pode ser atribuído à poluição luminosa nos melhores locais astronômicos (ver, por exemplo, Benn e Ellison 2007 ). Observando que o ponto zero para a escala de magnitude da banda V é3.6×10−12 Wm−2 por angstrom para V=0 e tomando a banda óptica como 3000 angstroms, e observando que existem 5.34×1011 segundos de arco quadrado no céu, um ponto no espaço receberá 10−5 Wm−2 (ou talvez cerca da metade disso, porque uma fração significativa do brilho do céu escuro é causada pelo brilho do ar).

Isso concorda aproximadamente com o que é mostrado na trama. Contribuições no infravermelho médio e em comprimentos de onda mais curtos que o óptico não contribuem significativamente.

Pode-se pensar que fontes discretas ou a Via Láctea podem contribuir mais, mas acho que não é esse o caso. O brilho da superfície da Via Láctea é apenas cerca de um fator três acima do brilho do céu escuro, mas é claro que ocupa uma pequena fração do céu total.

Uma maneira de ver que estrelas discretas não contribuem muito é notar que o fluxo óptico de todo o céu escuro é equivalente a cerca de 1000 estrelas de magnitude zero ou 107estrelas na 10ª magnitude. Ambos os números são mais altos em ordens de magnitude do que o número real de estrelas galácticas com esses brilhos.


Boa resposta. Eu acho que o OP estava principalmente interessado em luz no alcance visual, no entanto. Se você puder encontrar o fluxo visual total da luz e uma figura para compará-lo com (fluxo da luz solar / luar / luz venuslight, por exemplo), conceder-lhe-ei a recompensa.
— Ingolifs

"Quanta energia, como luz e outras frequências" @Ingolifs
— Rob Jeffries

@Ingolifs: É uma resposta valiosa e, combinando-a com a vinculada à Physics.SE, devo conseguir valores para frequências mais "úteis". Vou esperar um pouco para aceitar, caso alguém esteja disposto a expandir ou corrigir alguma coisa, mas, em geral, é bastante satisfatório.
— SF.

(Além disso, embora esses fótons sejam muito mais numerosos, eles são de baixa energia. Não sei se uma fração menor, mas mais energética, não contribui mais ...
— SF.

11
Revisado. O CMB não é tão dominante quanto eu pensava desde o primeiro olhar para o enredo.
— Rob Jeffries
Ao utilizar nosso site, você reconhece que leu e compreendeu nossa Política de Cookies e nossa Política de Privacidade.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.