กำลังส่องสว่าง ฟลักซ์ และกฎกำลังสองผกผัน
Luminosity, flux and the inverse-square law
อัปเดตล่าสุด
ดาวที่ดูสว่างบนท้องฟ้าอาจไม่ได้สว่างจริง แค่อยู่ใกล้ บทความนี้แยกความต่างระหว่างพลังงานที่ดาวปล่อยออกมาทั้งหมด กับพลังงานที่มาถึงเรา และอธิบายว่าทำไมแสงจางลงตามกำลังสองของระยะทาง
เวลาพูดว่าดาวดวงหนึ่ง "สว่าง" อาจหมายถึงสองอย่างที่ต่างกันมาก อย่างแรกคือพลังงานทั้งหมดที่ดาวปล่อยออกมาในแต่ละวินาที เรียกว่ากำลังส่องสว่าง อย่างที่สองคือพลังงานที่มาถึงพื้นที่ของเราในแต่ละวินาที เรียกว่าฟลักซ์ ทั้งสองเชื่อมกันด้วยระยะทาง
กฎกำลังสองผกผัน
ลองนึกถึงพลังงานที่ดาวปล่อยออกมาเป็นเปลือกทรงกลมที่ขยายออกไปทุกทิศ ที่ระยะใด ๆ
ถ้าระยะเพิ่มเป็นสองเท่า พลังงานเท่าเดิมกระจายบนพื้นที่สี่เท่า ฟลักซ์จึงเหลือหนึ่งในสี่ ถ้าระยะเพิ่มเป็นสิบเท่า ฟลักซ์เหลือหนึ่งในร้อย หลักนี้ใช้ได้กับทุกอย่างที่แผ่ออกจากจุดเดียวเท่ากันทุกทิศ ทั้งแสง เสียง และแรงโน้มถ่วง
ค่าคงที่สุริยะ
ดวงอาทิตย์มีกำลังส่องสว่างราว 3.83 × 10²⁶ วัตต์ ที่ระยะ 1 หน่วยดาราศาสตร์ (ราว 150 ล้านกิโลเมตร) ฟลักซ์ที่ได้คือราว 1,361 วัตต์ต่อตารางเมตร
ค่านี้เรียกว่าค่าคงที่สุริยะ คือพลังงานที่แผ่นพื้นที่หนึ่งตารางเมตรที่หันตั้งฉากกับแสงอาทิตย์นอกบรรยากาศโลกได้รับในแต่ละวินาที ดาวอังคารซึ่งอยู่ห่างราว 1.52 หน่วยดาราศาสตร์ได้รับเพียงราว 590 (
ใช้วัดระยะทางได้อย่างไร
ถ้ารู้กำลังส่องสว่างของวัตถุด้วยวิธีอื่น เช่น จากชนิดของดาว จากคาบของดาวแปรแสงเซเฟอิด หรือจากซูเปอร์โนวาประเภท Ia ซึ่งระเบิดด้วยความสว่างใกล้เคียงกันเสมอ เราก็วัดฟลักซ์แล้วกลับสูตรหาระยะทางได้เราก็วัดฟลักซ์ที่มาถึง แล้วคำนวณย้อนหาระยะทางได้ ยิ่งดูจางกว่าที่ควร ยิ่งอยู่ไกล
วัตถุที่รู้กำลังส่องสว่างแบบนี้เรียกว่าเทียนมาตรฐาน และเป็นขั้นบันไดสำคัญในการวัดระยะทางในเอกภพ
ผลต่อชีวิตบนดาวเคราะห์
กฎกำลังสองผกผันบอกว่าดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ที่จางกว่าต้องอยู่ใกล้มากกว่าจึงจะได้รับพลังงานเท่าโลก เขตที่น้ำเป็นของเหลวได้บนผิวดาวเคราะห์จึงเลื่อนเข้าใกล้หรือออกห่างตาม
คำศัพท์ในบทความนี้
- luminosityกำลังส่องสว่าง
- fluxฟลักซ์
- inverse square lawกฎกำลังสองผกผัน
- solar constantค่าคงตัวสุริยะ
- solar luminosityกำลังส่องสว่างของดวงอาทิตย์
- standard candleเทียนมาตรฐาน
บทความที่เกี่ยวข้อง
- ระบบโชติมาตร: วัดความสว่างของดาวระบบวัดความสว่างของดาวที่ใช้กันมากว่าสองพันปีมีลักษณะแปลก ตัวเลขยิ่งน้อยยิ่งสว่าง และต่างกัน 5 โชติมาตรหมายถึงสว่างต่างกัน 100 เท่าพอดี บทความนี้อธิบายที่มาและสูตรที่ใช้คำนวณ
- การแผ่รังสีของวัตถุดำ: อ่านอุณหภูมิดาวจากแสงวัตถุทุกชนิดที่มีอุณหภูมิจะแผ่แสงออกมา รูปร่างของสเปกตรัมขึ้นกับอุณหภูมิเท่านั้น กฎสามข้อของวัตถุดำทำให้นักดาราศาสตร์บอกอุณหภูมิ ขนาด และกำลังส่องสว่างของดาวได้จากแสงอย่างเดียว
- พารัลแลกซ์: วัดระยะดาวด้วยวงโคจรของโลกยื่นนิ้วไปข้างหน้าแล้วหลับตาสลับข้าง นิ้วจะดูเหมือนกระโดดไปมา ดาวใกล้ก็ขยับเทียบกับดาวไกลแบบเดียวกันเมื่อโลกโคจรไปอีกฝั่งของดวงอาทิตย์ มุมที่ขยับเล็กจิ๋วนี้คือวิธีวัดระยะดาวที่ตรงที่สุดที่เรามี
- บันไดระยะทางจักรวาล: วัดระยะไปถึงขอบเอกภพไม่มีวิธีเดียวที่วัดระยะทางได้ตั้งแต่ดวงจันทร์จนถึงดาราจักรที่ไกลที่สุด นักดาราศาสตร์จึงต่อวิธีวัดหลายวิธีเป็นขั้นบันได แต่ละขั้นปรับเทียบด้วยขั้นก่อนหน้า ความคลาดเคลื่อนในขั้นล่างจึงส่งผลไปถึงขนาดของเอกภพทั้งหมด
- เขตเอื้อชีวิต: ดาวเคราะห์แบบไหนที่อาจมีชีวิตรอบดาวฤกษ์ทุกดวงมีวงแหวนระยะทางที่ไม่ร้อนและไม่หนาวเกินไป ดาวเคราะห์ในเขตนี้อาจมีน้ำเป็นของเหลวบนผิว ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตแบบที่เรารู้จัก แต่การอยู่ในเขตนี้ยังไม่พอ และชีวิตอาจอยู่นอกเขตนี้ได้ด้วย