Milyen színűek a csillagok valójában?

Csillagvizsgáló Svábhegyi

Amikor feltekintünk az éjszakai égboltra, a csillagok többsége kékes-fehéres színű fénypontként tündököl. A gyakorlottabb (vagy éppen élesebb szemű) megfigyelők kiszúrhatnak vöröses árnyalatú csillagokat, mint például az Orion-csillagképben található Betelgeuse-t, távcsövön keresztül nézve pedig jó pár példát lehet találni a Napunkhoz hasonló sárga csillagokra is, mint amilyen a Hattyú fejét alkotó Albireo A. Sőt, ha fellapozzuk a megfelelő csillagászati könyveket, a szivárvány minden színében pompázó csillagkorongokra láthatunk példákat. Ugyanakkor az égboltról jól láthatóan hiányzik a teljes színpaletta. Milyen hatások alakítják a csillagok színét a fotonok elindulásától kezdve az agyunkban kialakult képig – más szóval: milyennek látnánk a csillagokat a teljes valójukban?

Későtéli misztikum – Schmall Raffael felvételén a téli égbolt jellegzetes csillagképei jelennek meg. A kékes-fehéres csillagok monotóniájába szinte csak a Betelgeuse (Orion-csillagkép) vörösszínű árnyalata hoz változatosságot. (Forrás: https://tavcso.hu/galeria)

A csillagászatban alkalmazott osztályozás szerint a csillagok színét a “felszínük”, szakszóval a fotoszféra hőmérséklete határozza meg. Ezt a réteget természetesen nem a bolygókéhoz hasonló szilárd felszínként kell elképzelni, pusztán azt a mélységet jelenti, ameddig “belátunk” a csillag belsejébe. A fotoszférából érkező fény minden hullámhosszon, vagyis minden színben képviselteti magát, ám közel sem egyenlő mértékben. A sugárzás hullámhossz szerinti eloszlása a színkép (idegen szóval spektrum), amely a fotoszféra esetében csaknem tökéletesen megfelel Max Planck törvényében leírtaknak. Ennek értelmében az eloszlás görbéjének van egy jól azonosítható csúcsa, amelyhez tartozó hullámhossz (=szín) fog a megfigyelések során is dominálni. Ez az ún. effektív hullámhossz, amely a fotoszféra hőmérsékletével fordított arányban változik: forróbb objektumok esetében a rövidebb (kékebb), míg alacsonyabb hőmérséklet esetén a hosszabb (vörösebb) hullámhosszak irányába tolódik el. A fentebb említett Betelgeuse 3600 °C-os felszíni hőmérsékletéhez például 805 nanométeres effektív hullámhossz tartozik, amely már az (infra)vörös tartományban található – ebből ered az Orion alfájának vöröses színe.

Példa egy kék (balra) és egy vörös (jobbra) színű csillag fotoszférájából érkező sugárzás eloszlására. A szivárványszínű sáv a látható fény tartományát jelöli. (Forrás: csillagaszat.hu, link: https://www.csillagaszat.hu/tudastar/asztrofizika/csillagok-szerkezete-es-alapveto-tulajdonsagaik/04-csillagok-szine-es-homerseklete/)

Így lesz tehát a távoli csillagok fizikai tulajdonságaiból a földi megfigyelő által is detektálható szín. A csillagászati szakkönyvek és cikkek szemléltető képei is ennek megfelelően ábrázolják az egyes csillagok színét: a 3700 – 5000 °C-os csillagok narancsszínűek, az 5000 – 6000 °C-osak sárgák, 6000 – 7500 °C-osak sárgásfehérek, e felett pedig egyre inkább kék színűek a csillagkorongok – legalábbis elméletben. A gyakorlatban ugyanis számos más hatás is befolyásolja az általunk érzékelt árnyalatokat, a csillagok tényleges színképétől kezdve az emberi látás specifikus érzékenységéig. Egy közelmúltban publikált tanulmány éppen ezen hatásoknak járt utána: azt vizsgálta, valójában milyennek látnánk saját szemünkkel a csillagok fényét és miként kellene ezeket valósághűen ábrázolni a modern digitális prezentációk során.

Oktatási segédanyag a csillagok színképosztályairól (O-M betűkkel jelölve); alul a hozzátartozó felszíni hőmérsékletekkel. (Forrás: University of Cincinatti; Link: https://homepages.uc.edu/~hansonmm/ASTRO/LECTURENOTES/W07/Stars/Page3.html )

A fenti képet, miszerint a fotoszféra hőmérsékletéhez direkt rendelhető egy konkrét szín, ugyanis bonyolítja a tény, hogy a csillagok valódi színképe különbözik a Planck törvény által jósolt egyszerű görbétől. A csillag belső rétegeiből kiinduló fotonoknak ugyanis át kell küzdeniük magát a fotoszféra feletti rétegeken is. Ez az ún. csillaglégkör, amelynek kémiai elemei (sőt, hűvösebb csillagok esetében molekulái) rajta hagyják a lenyomatukat a sugárzás eloszlásán, ezzel jelentős darabokat “harapva ki” az eredeti Planck-görbéből. A kevés színképvonalat tartalmazó forró csillagoknál ez a hatás szinte elhanyagolható, ám a hűvösebb (vöröses-narancssárgás) csillagok esetében már jelentősen másként fest a sugárzás, mire kijut a csillaglégkörön kívülre, és megkezdi utazását felénk.

Szintén fontos tényező, hogy az emberi látás érzékenysége nem egyenletes a látható fény teljes tartományán, vagyis nem mindent hasznosítunk a szemünkbe jutó fényből. Ennek oka, hogy a retinán lévő érzékelősejtek, az ún. csapok csak bizonyos színekre érzékenyek, és mindössze az ezen a hullámhosszakon beérkező fény mennyiségét (intenzitását) képesek továbbítani. Az emberi szem csupán háromféle csappal rendelkezik, amelyek a piros, a zöld és a kék fény bizonyos árnyalatát detektálják (ez utóbbi színt például jóval hatékonyabban), majd ezekből az információkból az agyunk állítja elő a megfigyelt objektum általunk érzékelt színét. Az említett tanulmány szerzői az átlagos emberi szem kísérleti úton meghatározott érzékenységgörbéit vették alapul, majd kiszámolták, hogy a három színtartományon mennyi fényt fog fel látásunk egy csillag színképvonalakat is tartalmazó elméleti spektrummodelljéből. Végül a három szín eredményül kapott arányait RGB színkódokká alakították, hogy digitálisan is szemléltethetőek legyenek az alábbi képeken.

Egy 2500 K-es felszíni hőmérsékletű csillag színképének valósághű modellje (narancsárgával); felette az ugyanezen hőmérséklethez tartozó Planck-görbe (feketével). Az X-, Y- és Z-függvények az emberi látás színérzékenységét jelölik. (Forrás: Harre & Heller [2021]; Link: https://arxiv.org/pdf/2101.06254.pdf)

Miután a kutatók a fentebb részletezett korrekciókat egy részletes színképmodell-könyvtárra alkalmazták, gyakorlatilag minden csillagtípusra megkapták a csillagkorong realisztikus ábrázolását. Ám mint oly gyakran, a valóság ezúttal sem olyan látványos, mint a fantázia, vagy legalábbis a tankönyvi ábrák színpalettája. Míg a kék csillagokat valóban (sötét)kéknek látjuk, a kisebb méretű és tömegű csillagok fakóbbnak mutatkoznak a felszíni hőmérsékletből számolt elméleti színükhöz képest. A Napunkhoz hasonló “sárga” törpecsillagokat sokkal inkább fehéresnek érzékeljük, míg a csillagpopuláció legnagyobb részét kitevő vörös törpéket számunkra narancsos színben figyelhetjük meg.

Különböző hőmérséklető csillagmodellek színei tisztán a sugárzás Planck-féle eloszlás (balra), valamint a valósághű színképmodellek esetében, figyelembe véve a szélsötétedés jelenségét is. (Forrás: Harre & Heller [2021]; Link: https://arxiv.org/pdf/2101.06254.pdf)

Fontos megjegyezni, hogy a tanulmányban csak a csillagok űrből megfigyelhető színét vizsgálták. A földi atmoszféra áteresztési képessége közel állandó a látható fény tartományán, így ennek hatása gyakorlatilag elhanyagolható a csillagok színére. A légköri részecskéken való szóródás azonban erősen színfüggő, a rövidebb hullámhosszú fény például sokkal gyakrabban szenved szórást és térül el az eredeti irányától (ezért kék a nappali égbolt). Ha egy adott csillagot szemlélünk, fényének kék komponense biztosan gyengül, míg a légkör tetejétől a felszíni megfigyelőig jut – mintha a rövidebb hullámhosszú fotonok egy része elcsavarogna.

Különböző hőmérsékletű csillagok, ezúttal már realisztikus színekkel. A csillagkorongok egymáshoz viszonyított mérete szintén a valóságot tükrözi. (Forrás: Harre & Heller [2021]; Link: https://arxiv.org/pdf/2101.06254.pdf)

Hogyan lehetséges mégis, hogy az éjszakai égbolt fehér fénypontokkal van tele, ahelyett, hogy a leggyakoribb csillagokra jellemző narancsszín uralkodna? Nos, a magyarázatnak már nem csak a színekhez van köze. A normál állapotú (ún. fősorozati) csillagok esetében a magasabb hőmérséklettel ugyanis együtt jár a nagyobb fényesség is. Míg a Naprendszerhez legközelebbi csillag, a Proxima Centauri vörös törpe nem is látható szabad szemmel, addig egy kék óriáscsillag akár több száz fényév távolságból is ragyog az éjszakai égbolton. Ezzel párhuzamosan viszont a fényes csillagokból jóval kevesebb található a Naprendszer közelében. Ennélfogva a derült éjszakákon szabad szemmel látható kb. 2-3 ezer csillag zöme a közepesen gyakori és közepesen fényes csillagok közül kerül ki – ezek pedig mint láthatjuk, fehér színűek.

A csillagok változatos színeit tehát nem könnyű megfigyelnünk, ám közel sem lehetetlen. Mostanság, a téli égbolton a már fentebb is említett Betelgeuse vagy a tőle kissé nyugatabbra narancssárgásan fénylő Aldebaran és a Fiastyúk fiatal kék csillagai kínálnak szabad szemmel is megtapasztalható színélményt; teleszkóppal, sőt, akár egy kisebb binokulárral szemlélve pedig jelentősen bővül a paletta. Érdemes tehát újra és újra visszatérni a csillagos égbolt alá, mert az ezernyi fehér fénypont között ott várnak ránk a szivárvány színei is.

Szerző: Barna Barnabás, Tudományos munkatárs / bemutató csillagász
SZTE TTIK Fizikai Intézet / Szegedi Csillagvizsgáló

📸 A borítóképen A déli Tejút része, a Centaurus, Crux és Carina csillagképek körül. Forrás: ESO / P. Horálek 

Tetszett a cikkünk? Szívesen olvasnál még hasonló témájú cikket? Ajánljuk figyelmedbe: A rejtélyes napciklusra fény derül