У ясну ніч повний Місяць може освітити стежку так, що від людини лягає тінь. Тож відповідь «Місяць не світить» звучить дивно: світло від нього доходить до землі й до наших очей. У чому ж його відмінність від Сонця?
Сонце випромінює власне видиме світло завдяки високій температурі, яку підтримує енергія термоядерних реакцій у його надрах. Місячний диск ми бачимо переважно у відбитому сонячному світлі. Водночас Місяць випромінює власне тепло — головно в інфрачервоному діапазоні, невидимому для ока. Різниця полягає в походженні світла, а не просто в тому, наскільки яскравий диск.
У попередній статті про нічне небо ми розрізняли небесні тіла за світлом і рухом. Тепер простежмо, звідки саме світло бере початок.
Лампа й куля можуть бути видимими з різних причин
Уяви лампу та звичайну матову сіру кулю в темній кімнаті. Лампа ввімкнена, її світло падає на кулю. Видно обидва предмети, але світло проходить різні шляхи: від лампи — прямо до ока; від кулі — спочатку від лампи до її поверхні, а вже потім до ока.
Постав між лампою й кулею непрозорий картон так, щоб саму лампу все ще було видно. Перш ніж порівняти два кадри, передбач: який предмет втратить освітлення?
Звідки світло потрапляє в око?
Світло доходить до кулі
Видно джерело та освітлену кулю.
Шлях до кулі перекрито
Джерело світить далі. Куля не повертає його світла до ока.
Суцільні стрілки — світло від джерела. Пунктирні — вибрані напрямки відбиття від кулі.
Лампа продовжує світити, бо має власне джерело енергії. Куля вже не отримує прямого світла лампи, тому й не може його відбивати до нас. У справжній кімнаті її ще можуть слабко підсвічувати стіни; на схемі цих додаткових шляхів немає.
Сонце й Місяць відрізняються подібним чином. Аналогія стосується шляху світла: Сонце не під’єднане до розетки, а Місяць не є ідеальною гладкою кулею. Залишилося пояснити, чим Сонце живить власне світіння.
У Сонця є запас ядерної енергії
Сонце складається переважно з водню й гелію. Його власна гравітація утримує величезну масу речовини разом; у центрі тиск і температура надзвичайно високі. За температури близько 15 мільйонів градусів Цельсія відбувається термоядерний синтез: у ланцюжку реакцій ядра водню — центральні частини атомів — перетворюються на ядра гелію, вивільняючи енергію.
Ця енергія передається крізь сонячну речовину назовні: випромінюванням, а в зовнішній частині надр — також рухом гарячої речовини. Видиму «поверхню» Сонця називають фотосферою. Вона не тверда; її температура становить близько 5500 °C, і гаряча речовина цього шару випромінює світло в космос. Отже, реакції в центрі забезпечують енергію, а видиме світло виходить із набагато холоднішого зовнішнього шару. NASA: будова Сонця, синтез і фотосфера.
Це пояснення можна перевіряти не лише за світлом поверхні. Під час сонячних ядерних реакцій народжуються нейтрино — частинки, що дуже слабо взаємодіють із речовиною. Експеримент Borexino зареєстрував нейтрино від початкової реакції злиття двох протонів, тобто ядер водню. Це окреме спостережне свідчення того, що в надрах Сонця справді відбуваються реакції синтезу. Borexino: результат вимірювання, опублікований у Nature 2014 року.
Чому темний камінь на небі виглядає світлим
На Місяці немає такого зоряного термоядерного джерела енергії. Його поверхня — кам’яниста, вкрита реголітом, тобто шаром пилу та уламків породи. Значна частина цього матеріалу темно-сіра. NASA: поверхня Місяця.
Щоб побачити темний предмет, не потрібно розжарювати його. Сірий камінь на сонці помітний тому, що повертає частину падаючого світла. Матова поверхня відбиває його в різних напрямках, тож її видно з багатьох місць. Із місячною породою відбувається подібне: це не гладке дзеркало, в якому ми бачили б чітке відображення Сонця. Аналогія з матовою кулею пояснює цю відмінність, але не відтворює точного розподілу відбитого світла місячним ґрунтом.
За округленою оцінкою NASA, Місяць повертає в космос близько десятої частини сонячного світла, яке на нього падає. Частку відбитого випромінювання називають альбедо. Решта переважно поглинається. Навіть такої частки потужного сонячного освітлення достатньо, щоб близький до нас повний Місяць виглядав яскравим і відкидав тіні. Це не означає, що місячна порода біла. NASA: колір Місяця та його альбедо.
Десята частина — це світло, повернуте в різні напрямки, а не десята частина світла Сонця в нашому оці. До ока доходить лише частина відбитого. Тому з одного альбедо не можна зробити висновок, що Місяць має бути лише вдесятеро тьмянішим за Сонце: потрібно враховувати також розміри, відстані й розташування тіл.
Місяць усе ж випромінює власне тепло
Тепер перевірмо межу початкового пояснення. Освітлена сонцем порода нагрівається. Чому вона не починає світитися, як Сонце?
Теплова енергія може виходити з поверхні у вигляді електромагнітного випромінювання. Видиме світло — лише вузька частина цього випромінювання; інфрачервоні хвилі довші за видимі й не сприймаються нашим оком. Так власне тепло випромінює і наша шкіра, хоча в темній кімнаті вона не світиться для ока. NASA: видиме та інфрачервоне випромінювання.
На місячному екваторі поблизу місцевого полудня поверхня може нагрітися майже до 400 K, тобто приблизно 127 °C. Це гаряче для людини, але набагато холодніше за фотосферу Сонця. За таких температур власне теплове випромінювання породи припадає головно на інфрачервоний діапазон; видимий тепловий внесок мізерний. Diviner: температури місячної поверхні.
Інфрачервоні вимірювання — не просто можливість на папері. Інструмент Diviner на апараті Lunar Reconnaissance Orbiter має канали для реєстрації теплового випромінювання Місяця. Те, чого не бачить око, можна виміряти відповідним детектором. Команда Diviner: будова інструмента.
Отже, відбиття й власне теплове випромінювання можуть відбуватися одночасно. Сонячна енергія частково повертається від поверхні як відбите світло, частково поглинається й нагріває породу; сама нагріта порода теж випромінює. Для видимого місячного диска головний перший внесок, для теплових вимірювань — другий.
Перевір шлях світла самостійно
Для маленького досліду достатньо ліхтарика, матової кульки й картону. У затемненій кімнаті освіти кульку збоку та подивися на неї з іншого напрямку, не вздовж променя ліхтарика. Тепер перекрий картоном лише шлях ліхтарик → кулька. Вона потемніє; прибери картон — освітлення повернеться. Ліхтарик увесь цей час працює однаково.
Спробуй пояснити результат, назвавши кожну ланку: джерело, поверхню, око. Якщо кулька за екраном лишилася трохи видимою, пошукай додаткове джерело — вікно або світлу стіну, від якої до неї доходить світло. Саме так міркування про шляхи променів допомагає перевірити пояснення, а не лише запам’ятати слова «відбите світло».
На небі цей принцип теж працює, але звичайні фази Місяця не означають, що між ним і Сонцем щоразу з’являється екран. Змінюється частина освітленої півкулі, яку ми бачимо із Землі; повний розбір геометрії залишимо окремій статті. NASA: як утворюються фази.
Повернімося до тіні на нічній стежці. Місяць справді освітлює її, але світло пройшло шлях Сонце → місячна порода → Земля. Сонце підтримує світіння завдяки енергії реакцій у надрах, а Місяць повертає частину цього світла й водночас випромінює невидиме оком тепло. Наступного разу біля тонкого серпа спробуй помітити попелясту решту диска й відновити довший шлях світла через Землю.
Наступне питання курсу — чому на Землі змінюються день і ніч: коли джерело світла те саме, вирішальним стає поворот освітленої планети.