De que cor realmente são as estrelas?

Título:  Digital color codes of stars

Autores: Jan-Vincent Harre, René Heller

Instituição do primeiro autor: Institudo de Astrofísica, Georg-August, Universidade de Göttingen, Alemanha.

Status: Aceito para publicação na Astronomische Nachtrichten

Afinal, o que é uma cor?

Um monte de fótons, que nada mais são que partículas de luz, deixam a superfície do sol a cada segundo. Eles atravessam a distância entre o Sol e a Terra em cerca de 8 minutos. Depois de uma viagem acidentada pela atmosfera terrestre, eles finalmente atigem o nosso globo ocular e estimulam as células cônicas fotorreceptivas. O comprimento de onda dos fótons será interpretado por seu cérebro como uma cor, e você verá o Sol como sendo branco (provavelmente seguido por um pico de dor dizendo para você desviar o olhar).

A cor é uma coisa da “vida”. Os olhos dos seres humanos podem captar determinados comprimentos de onda da luz e associamos cores a esses comprimentos de onda para diferenciá-los. Esta faixa de comprimento de onda é que conhecemos por espectro visível, pois é visível para nós humanos. A razão pela qual nós, e a maioria das outras formas de vida na Terra podemos interpretar esse espectro visível em particular (e não dizer, ondas ultravioleta ou de rádio) é porque o Sol emite mais fortemente nesses comprimentos de onda, ou seja, evoluímos para ver a luz solar.

Imagine um objeto teórico que pode emitir luz perfeitamente em todos os comprimentos de onda. O chamado “corpo negro” emite luz em um espectro que é determinado apenas por sua temperatura. Em temperaturas mais altas, teremos um espectro mais intenso com mais “azuis”. Em temperaturas mais baixas, um espectro mais raso com mais “vermelhos” (o corpo humano emite radiação infravermelha, por exemplo). O espectro de emissão das estrelas é freqüentemente aproximado por um corpo negro e, portanto, a cor das estrelas é considerada como sendo o pico de um corpo negro.

No entanto, um espectro de corpo negro não descreve perfeitamente como uma estrela seria para nós, muito menos pode incorporar efeitos de absorção de elementos em estrelas, reduzindo a intensidade em comprimentos de onda específicos. Os autores de hoje fazem a pergunta: “como podemos descobrir exatamente como as estrelas se parecem ao olho humano”?

Figura 1: Um espectro sintético para uma anã vermelha com metalicidade solar de 2500 K. A linha preta mostra o espectro do corpo negro para uma estrela desta temperatura, e a laranja mostra o espectro observado. Como o espectro da estrela é muito menos intenso do que o espectro do corpo negro, podemos ver que há muita absorção de comprimentos de onda ocorrendo aqui. As linhas azuis, vermelhas e verdes mostram os diferentes CMFs para o olho humano. A inserção mostra o resto do espectro longo e de alto comprimento de onda da estrela.

Espectro versus olhos

Os autores geraram espectros de modelo estelar (usando a biblioteca PHOENIX) para estrelas em um espaço de temperaturas entre 2300 K a 15.000 K, em metalicidade de [Fe / H] = (0, -1, -2), para explicar como a absorção em diferentes abundâncias dos metais mudaram os espectros. Eles também geraram espectros de até 55.000 K, usando um modelo diferente (TLUSTY) que representou as camadas externas “mais soltas” dessas estrelas massivas. Para imitar a recepção do olho humano, eles usaram funções de correspondência de cores estabelecidas (CMFs), que modelam a recepção do olho humano em comprimentos de onda Vermelho, Verde e Azul (RGB) e mapeiam isso para códigos de cores hexadecimais. A Figura 1 acima mostra esses CMFs sobre o espectro de uma estrela de 2500 K – uma anã vermelha.

Figura 2: As cores dos espectros do modelo, conforme percebidas pelo olho humano, mostradas em uma roda de cores hexadecimal. Esquerda (a): estrelas da sequência principal que variam dos tipos estelares M (baixa temperatura) aos tipos O (alta temperatura). Direita (b): uma comparação das cores derivadas de espectros sintéticos (círculos preenchidos) com aquelas calculadas de corpos negros na mesma temperatura (círculos abertos), conectados por linhas.

Diferente do esperado

Os autores calcularam as cores para ambos os espectros sintéticos e corpos negros na mesma temperatura e descobriram que, no geral, eles diferiam significativamente. Isso ocorre porque a absorção que ocorre na atmosfera da estrela contribui significativamente para a sua cor final, absorvendo mais determinados comprimentos de onda do que outros. A Figura 2 acima mostra a tendência do tipo estelar (variando de estrelas O massivas a anãs M pequenas), e como estas diferem dos corpos negros na mesma temperatura.

Isso tem consequências interessantes para estrelas que normalmente associamos a cores específicas. Eles descobriram que estrelas em altas temperaturas (~ 8000 K) eram ligeiramente mais azuis do que seus corpos negros (por causa da menor absorção de comprimentos de onda vermelhos). Por outro lado, as anãs “vermelhas” mais frias (~ 3000 K) eram na verdade mais parecidas com as anãs “laranja”, com mais absorção de comprimentos de onda vermelhos ocorrendo do que no corpo negro. Especialmente as anãs “brancas”, que tendemos a pensar como brancas, passam por toda uma temperatura e, portanto, variam de cor à medida que esfriam. Anãs brancas têm atmosferas relativamente pequenas e muito pouca absorção, e as anãs brancas mais frias vão parecer laranja, não brancas!

Quão subjetivas são essas cores?

Apenas para ter certeza de que essas cores eram as mais objetivas possíveis, os autores verificaram alguns fenômenos interessantes. Isso incluiu a medição da cor no caso de linhas de absorção ampliadas no caso de estrelas de rotação extremamente rápida e a absorção na atmosfera da Terra. Em todos os casos, eles descobriram que esses efeitos causam apenas uma mudança de 1% nos códigos de cores RGB, o que seria imperceptível para a maioria dos humanos. A metalicidade, por outro lado, fornece uma diferença perceptível (você pode compará-los você mesmo! Insira os códigos hexadecimais das Tabelas 2 e 4 no artigo aqui).

Os resultados do artigo de hoje, embora aparentemente pequenos, têm um grande significado. Pela primeira vez, podemos olhar para uma imagem em nossas telas e saber com certeza que ela representa uma estrela exatamente como a veríamos (veja a Figura 3), conectando-nos diretamente a estrelas distantes no céu. A maneira exata como percebemos as cores e, portanto, as estrelas, é exclusiva da vida criada na Terra pela luz do Sol. Conhecer a cor das estrelas, portanto, nos diz – um pouco – sobre nosso próprio lugar no Universo.

Figura 3: Uma seleção de estrelas da sequência principal de diferentes tipos estelares. O escurecimento em torno das bordas é devido a um efeito chamado escurecimento de limbo que é responsável pela diferença de brilho da estrela nas bordas, como visto por nós. Para referência, o Sol é uma estrela do tipo G. Os autores observam que não levaram em consideração o brilho – uma estrela de tamanho O2 seria um bilhão de vezes mais luminosa do que uma estrela M9.

Adaptado de: What colour are stars really?, escrito por Oliver Hall.

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