Mất bao lâu để ánh sáng thoát ra khỏi bên trong Mặt trời?

Mất bao lâu để ánh sáng thoát ra khỏi bên trong Mặt trời?

Tôi đã trình bày chủ đề này trong một video TedEd mà bạn có thể xem trên YouTube.com có tên là Sunlight is Way Older than you Think! Ý tưởng cơ bản là khá đơn giản.

Theo bài toán ‘Bước đi ngẫu nhiên’ nổi tiếng, khoảng cách mà một hạt, rẽ trái và rẽ phải ngẫu nhiên, đi được từ một điểm cụ thể trong không gian là kích thước bước điển hình của nó nhân với căn bậc hai của số bước mà hạt đó nhảy. Nếu bước này dài một mét, thì sẽ mất 100 bước để đi được 10 mét từ một điểm trong không gian và 10.000 bước để đi được 100 mét.

Đối với mặt trời, chúng ta biết mình muốn đi bao xa để thoát ra….696.000 km, chúng ta chỉ cần biết một photon di chuyển bao xa giữa phát xạ và hấp thụ, và bước này mất bao lâu. Điều này đòi hỏi một chút vật lý!

Phần bên trong của mặt trời là plasma sôi sục với mật độ trung tâm trên 100 gam/cc. Khoảng cách thực tế mà một photon tia X hoặc tia gamma có thể di chuyển là từ 1 cm đến 1 milimét. Rất gần đúng, điều này có nghĩa là để di chuyển theo bán kính của Mặt trời, một photon sẽ phải mất (696.000 km/1 cm)^2 = 5 x 10^21 bước. Bây giờ, ánh sáng di chuyển với tốc độ 3 x 10^10 cm/giây, vì vậy, điều này sẽ mất 5×10^21 bước x 3 x10^-11 giây/bước = 1,5 x 10^11 giây. Vì có 3,1 x 10^7 giây trong một năm, nên bạn có khoảng 4.000 năm.

Một số sách giáo khoa đề cập đến ‘hàng trăm nghìn năm’ hoặc thậm chí ‘vài triệu năm’ tùy thuộc vào những gì được giả định cho bản vá miễn phí trung bình.

Có nhiều phép tính gần đúng trong các tính toán này. Phần bên trong của mặt trời không có mật độ cố định nên các bước đi ở nửa bên ngoài của mặt trời lớn hơn nhiều so với phần bên trong sâu, nơi có mật độ cao nhất. Lưu ý rằng nếu bạn ước tính giá trị cho đường đi tự do trung bình là hệ số ba nhỏ hơn 1 cm (tức là 3 milimét), thì thời gian sẽ tăng hệ số từ 10 đến 40.000 năm.

Tia X và tia gamma có bước dài khác nhau vì độ mờ đục của Mặt trời khác với hai dạng bức xạ phát ra từ lõi này.

Sự không chắc chắn điển hình dựa trên ước tính ‘thứ tự cường độ’ này có thể dẫn đến thời gian di chuyển dài hơn hoặc hơn 100 lần và thời gian di chuyển lên tới hàng triệu năm.

Hầu hết các nhà thiên văn học không quá quan tâm đến con số này và từ bỏ việc cố gắng xác định chính xác nó vì nó không ảnh hưởng đến bất kỳ hiện tượng nào mà chúng ta đo được ngoại trừ các đặc tính của vùng lõi hiện tại. Những ước tính này cho thấy rằng sự phát xạ ánh sáng ở bề mặt có thể làm chậm quá trình tạo ra ánh sáng ở lõi khoảng 100.000 năm hoặc lâu hơn.