Saturnus avondster – Google Play SterHemel app MijnHemel App Store – Hemel vannacht – Weer – Meer vragen over sterren – FAQ – Gegevens van sterren – Astrokalender – Hemelkaart – Maanfasekalender Google Play App Store YouTube Google agenda Facebook Twitter

Hoe kun je fotonen van een ster op grote afstand nog waarnemen?

Sterren stralen licht uit. Licht bestaat uit een ononderbroken stroom fotonen. Waar je je ook bevindt in het heelal kun je het licht van de sterren zien. Elke ster moet dus ongekende hoeveelheden fotonen uitzenden om overal in het heelal gezien te kunnen worden. Als je dan bedenkt dat sommige sterren miljarden lichtjaren ver weg zijn, dan vraag ik mij af waar al die fotonen vandaan komen.

Het feit dat je een ster vanaf waar dan ook in het heelal kunt zien is niet helemaal waar; hoe verder weg een ster staat, des te zwakker wordt deze en op een bepaald moment wordt deze zo zwak (d.w.z. het aantal fotonen per seconde wordt zo laag) dat deze niet meer zichtbaar is. Op afstanden van miljarden lichtjaren nemen we over het algemeen geen afzonderlijke sterren meer waar, maar eerder sterrenstelsels, die vaak uit honderden miljarden sterren bestaan.

De fotonen komen van het oppervlak van de ster, maar de energie wordt opgewekt in het centrum van de ster (zie Hoe komt de Zon aan haar energie? en Hoe lang doet een foton erover om door de Zon te reizen? voor meer details met de Zon als voorbeeld van een typische ster). Laten we een (ruwe) schatting maken van het aantal fotonen dat het oppervlak van de Zon per seconde verlaat. Een typische straal zonlicht is groen en bevat licht met een golflengte van ongeveer 550 nanometer. Een foton van dit licht heeft een energie van 0,000.000.000.000.000.000.361 Joule ofwel 3.61x10^-19J. De lichtkracht van de Zon is 385.000.000.000.000.000.000.000.000 Watt = 3,85x10²⁶ W. 1 Watt is 1 Joule per seconde (1 W = 1 J/s) en wanneer we aannemen dat de Zon alleen deze groene fotonen zou uitzenden (dit klopt natuurlijk niet, maar we doen een ruwe schatting) dan vinden we dat de Zon per seconde ongeveer 10⁴⁵ (een 1 met 45 nullen) fotonen per seconde moet uitzenden om aan haar lichtkracht te komen. (Een nauwkeuriger benadering, integratie van de Planckvergelijking, geeft 1,8x10⁴⁵ fotonen per seconde.)

Dit is wat de Zon ongeveer uitzendt, maar natuurlijk nemen we niet alle fotonen die de Zon uitzendt waar met onze telescoop. Het aantal waargenomen fotonen hangt af van de grootte van onze telescoop en onze afstand tot de Zon. Laten we voor het gemak zeggen dat onze telescoop een spiegel heeft met een oppervlakte van 1m² (dus een diameter van bijna 1,13m). Hoeveel fotonen vangen we per seconde op op de afstand van de Aarde? Om dit te bepalen stellen we ons een bolschil voor om de Zon, met de straal gelijk aan de afstand tot de Aarde, d.w.z. 1 AE ofwel circa 150 miljard meter (r=1.5x10¹¹m). De oppervlakte van deze bol is 4xπxr² = 3x10²³ m². Aangezien onze telescoop slechts 1m² groot is, vangen we een 3x10²³-ste deel van het totale aantal zonnefotonen op, ofwel 10⁴⁵/3x10²³ = 4x10²¹ fotonen per seconde. Dat is meer dan een kilowatt, en dat is ook de reden waarom je nooit naar de Zon moet kijken zonder speciale bescherming! (Zie Hoe kan ik de Zon veilig waarnemen?)

Stel dat we de Zon willen waarnemen vanaf de andere kant van het Melkwegstelsel. De diameter van het Melkwegstelsel is circa 100.000 (10⁵) lichtjaar, ongeveer 10²¹m. Wanneer we nu dezelfde berekening doen als hierboven, maar nu met r=10²¹m, vinden we dat we nog slechts minder dan 100 fotonen per seconde waarnemen. Ik ben geen biofysicus, maar het lijkt me onmogelijk om met behulp van onze behoorlijke telescoop de Zon op deze afstand nog te kunnen zien.

Maar laten we aannemen dat we niet met het oog door de telescoop kijken, maar dat we beschikken over een perfecte (100% efficiënte) CCD camera, dat we een uur lang onze opname belichten en dat we slechts één foton hoeven waarnemen om de Zon te 'zien' (in werkelijkheid zijn CCDs natuurlijk niet perfect en kunnen we uit één foton niet opmaken dat we werkelijk de Zon hebben waargenomen, maar dit is een ruwe schatting). We keren de rekensom nu om en vinden dat de afstand tot de Zon niet meer mag bedragen dan zo'n 60 miljoen lichtjaar. Dat is een hele afstand, en dat komt onder andere doordat we inmiddels de Zon allang niet meer kunnen onderscheiden van alle andere sterren in ons Melkwegstelsel (tegen de tijd dat we één zonnefoton opvangen, hebben we al honderd miljard fotonen van andere sterren in ons Melkwegstelsel opgevangen, wat de Zon totaal onzichtbaar maakt). We hebben dus impliciet aangekomen dat de Zon de enige ster in het Melkwegstelsel is.

De afstand van 60 miljoen lichtjaar is tamelijk precies de afstand tot de Virgo cluster van sterrenstelsels. Het is een hele afstand, maar we praten hier nog steeds over het lokale heelal. In het overgrote deel van het zichtbare heelal is het dus onmogelijk om de Zon waar te nemen. En uit de schattingen hierboven is ook duidelijk waardoor: een ster als de Zon straalt weliswaar verschrikkelijk veel fotonen uit, maar het heelal is ook verschrikkelijk groot. Naarmate al die fotonen verder van de Zon afreizen, beslaan ze een alsmaar grotere bolschil om de Zon. Hierdoor 'dunt' het aantal fotonen per m² per seconde snel 'uit'. Het gevolg is dus dat het aantal fotonen per seconde op een gegeven waarneemlocatie zo laag wordt dat de Zon niet langer zichtbaar is. Het aantal fotonen dat een ster uitzendt is dus erg groot, maar niet oneindig.

Zie ook:
Hoe komt de Zon aan haar energie?
Hoe lang doet een foton erover om door de Zon te reizen?
Hoeveel gram wordt de Zon per seconde lichter?

Vannacht aan de hemel: Maan, planeten en deepsky-objecten
De 100 helderste sterren
Eigenschappen van sterren naar spectraaltype
Eigenschappen van sterren naar massa
Gegevens van sterrenbeelden
Deepsky-objecten

@hemel_waarnemen volgen