Jak długo trwa pojawienie się fotonów z jądra Słońca na zewnątrz?

Słońce jest kulą wodorową tak dużą, że ciśnienie grawitacyjne w środku odbiera elektrony z atomów wodoru i spycha protony tak ciasno, że przylegają do siebie. „Sklejanie” ostatecznie tworzy hel, a także uwalnia energię w postaci fotonów promieniowania gamma. Fotony te przebijają się przez cząsteczki w słońcu, tracąc po drodze część energii i ostatecznie wydostając się ze słońca jako promieniowanie rentgenowskie, podczerwone i widzialne. Droga z centrum do wyłonienia się ze słońca zajmuje wiele kroków i wiele lat.

Tworzenie helu z wodoru w jądrze Słońca to trzyetapowy proces, który bezpośrednio uwalnia jeden promień gamma, a pośrednio inny. Promienie gamma to promieniowanie elektromagnetyczne, podobnie jak mikrofale, fale radiowe i świetlne, co oznacza, że ​​poruszają się z prędkością światła: 300 000 kilometrów na sekundę (186 000 mil na sekundę). Słońce ma promień około 700 000 kilometrów (435 000 mil). Można więc rozsądnie oczekiwać, że promień gamma wyjdzie poza Słońce około 2,3 sekundy po jego utworzeniu. Ale tak się nie dzieje.

W jądrze Słońca protony i jądra helu są tak grube, że emitowane promieniowanie gamma nie może dotrzeć zbyt daleko, zanim zostanie pochłonięte. Jeśli wyobrazisz sobie, że promień gamma jest emitowany dokładnie w centrum Słońca, to zacznie zmierzać wprost na powierzchnię. Kiedy zderza się z protonem, wynikiem zderzenia jest proton o dodatkowej energii. Proton oddaje tę dodatkową energię, emitując kolejny foton promieniowania gamma. Ale ten mógł skierować się w dowolnym kierunku - nawet tam, gdzie zaczął. I tak to się dzieje, gdy promieniowanie gamma przechodzi od jednego zderzenia do drugiego, zmieniając swój kierunek za każdym razem, gdy jest pochłaniany i reemitowany.

Wyobraź sobie, że jest facet tak pijany, że musi trzymać się lekkiego słupka, żeby wstać. Chce dostać się do następnego słupka świetlnego, oddalonego o zaledwie 10 kroków, ale jest tak pijany, że nie może iść w linii prostej. Heck, jest tak pijany, że po zrobieniu jednego kroku jego następny krok może być w innym kierunku. To właśnie fizycy i matematycy nazywają problemem „spaceru pijaka” lub „losowego spaceru”. Pytanie brzmi, ile czasu zajmie temu facetowi przejście od jednej latarni do drugiej? Odpowiedź jest taka, że ​​jeśli jego punkt początkowy i końcowy są oddzielone 10 krokami, dotarcie tam zajmie mu średnio 100 kroków, czyli 10 do kwadratu. To ta sama sytuacja, w której znajduje się promieniowanie gamma w jądrze Słońca.

Kiedy próbujesz rozwiązać problem błądzenia losowego, najważniejszą rzeczą, którą musisz wiedzieć, jest to, jak duże są kroki. Istnieją dwa problemy z ustaleniem tego dla fotonu promieniowania gamma na Słońcu. Po pierwsze, warunki na całym Słońcu nie są takie same, więc zmienia się odległość między promieniowaniem gamma a innymi cząsteczkami. Po drugie, nikt nigdy nie odwiedził centrum Słońca, więc i tak trzeba poczynić pewne założenia. Istnieje wiele rozsądnych założeń, wahających się od jednej dziesiątej milimetra do około centymetra. Wybór tej odległości ma duży wpływ na kalkulację czasu.

Promień Słońca wynosi 700 000 kilometrów, co daje 7 bilionów „kroków”, jeśli każdy krok ma dziesiątą część milimetra, i 70 miliardów kroków, jeśli każdy krok ma 1 centymetr. Z problemu z chodzeniem pijaka wiesz, że średnia liczba kroków potrzebnych do pokonania określonego dystansu jest równa kwadratowi liczby kroków, jakie trzeba wykonać, aby przejść w linii prostej. Tak więc zajęłoby 49 bilionów bilionów kroków po 0,1 milimetra i 490 bilionów bilionów kroków po 1 centymetrze. Czas potrzebny na pokonanie tych kroków to całkowita odległość podzielona przez prędkość światła. Tak więc, jeśli myślisz, że fotony podróżują tylko 0,1 milimetra między zderzeniami, to zanim foton ucieknie ze słońca, minie ponad pół miliona lat. Jeśli myślisz, że jest to około centymetra, foton potrzebuje około 5000 lat, aby wydostać się poza Słońce.