光度

物理学术语

光度(luminosity)是辐射电磁功率(光)的绝对度量,亦即发光物体随时间发出的辐射功率[1][2]。在天文学中,光度是恒星、星系或其他天体在单位时间内发出电磁能量的总量[3][4];在科學的不同領域中有不同的意義。

光度學

 
黑色曲线为亮适应光度函数曲线,绿色曲线为暗适应光度函数曲线。实线为CIE 1931标准。断续线为1978年修正数据。点线为2005年修正数据。横坐标单位为nm。

光度学(photometry)中,光度(luminosity)经常与亮度(luminance)弄混。亮度是光源在给定方向上单位面积单位立体角内所发出的的光通量[5],单位是尼特。光度并不是一个物理量,这个词用于光度函数

光度也指发光强度(luminous intensity)。

人眼能相当精确地判断两种颜色的光亮暗感觉是否相同。所以为了确定眼睛的光谱响应,可将各种波长的光引起亮暗感觉所需的辐射通量进行比较。在较明亮环境中人的视觉对波长为555.016nm的绿色光最为敏感。设任意波长为 的光和波长为555.016nm的光产生同样亮暗感觉所需的辐射通量分别为  ,把后者和前者之比

 

叫做光度函数(luminosity function)或视见函数(visual sensitivity function)。例如,实验表明,1mW的555.0nm绿光与2.5W的400.0nm紫光引起的亮暗感觉相同。于是在400.0nm的光度函数值

 

衡量光通量的大小,要以光度函数为权重把辐射通量折合成对人眼的有效数量。对波长为 的光,辐射强度为 ,光通量为 ,则有

 

式中 是波长为555.016nm的光功当量,也叫做最大光功当量,其值为683 lm/W。

天文學

天文學中,光度(luminosity)是物體每單位時間內輻射出的總能量,即辐射通量,在國際單位制瓦特(Watt),在厘米克秒制中是“爾格/秒”,天文学常以太陽光度來表示。 ;也就是以太陽的輻射通量為一個單位來表示。太陽的光度是3.846×1026瓦特。光度以可指辐射通量的谱分布(spectral luminosity),单位为瓦特/赫兹(W/Hz)或瓦特/纳米(W/nm)。[6]:111

光度是與距離無關的物理量,而人眼观看到的天体的亮度(实际上是照度)則明顯的與距離有關,而且是與距離的平方成反比,通常會以視星等來量度。[6]:68

在測量恆星的亮度時,光度、視星等距離是相關的參數。如果你已經知道其中的兩項,就可以算出第三項。因為太陽的光度是一個標準值,以太陽的視星等和距離做為這些參數的比較標準,就很容易完成彼此之間的轉換。

光度和亮度之間的計算

 
點光源S向所有的方向輻射光線。穿越面積A的總量會隨著與光源的距離改變而改變。

假設 是一個點光源的光度(即辐射通量),它向四周輻射的能量是均等的。這個點光源被安置在一個中空球殼的中心,則輻射的所有能量都將穿過這個球殼。當半徑增加時,球殼的表面積也將增加,但通過球殼的光度是恆定不變的,所以將導致在球殼上觀察到的亮度 下降。

 ,此處 是被照亮的球殼表面積。對恆星和一個點光源而言, 所以 ,此處 是點光源與觀測者的距離。

恆星的光度 (假設恆星是一個黑體,這僅是一個良好的近似值)與溫度 和半徑 的關聯,以方程式表示為:

  ,此處σ是斯特凡-波茲曼常數5.67×10−8 W·m-2·K-4

除以太陽光度 和消除常數之後,我們得到如下的關係:

 .

對一顆主序星,光度也與質量相關:

 

這就很容易知道恆星的光度、溫度、半徑和質量之間都是有關聯的。

恆星的星等與亮度間是對數的關係,視星等是從地球上觀察到的亮度,絕對星等是在10秒差距上的視星等。 只要知道光度,我們就可以計算在任一給定距離上的視星等

 

,此處

mstar是恆星的視星等(一個純數字)

msun是太陽的視星等(也是一個純數字)

Lstar是恆星的光度

 是太陽的光度

rstar是到恆星的距離

rsun是到太陽的距離

很簡單的,讓msun = −26.73,rsun = 1.58×10−5 光年:

mstar = − 2.72 − 2.5 · log(Lstar/diststar2

例如:

天狼星光度是多少?
天狼星的距離是8.6光年,星等為−1.47。
Lum(天狼星) = 0.0813 · 8.62 · 10−0.4·(−1.47) = 23.3× 
我們可以說天狼星的光度是太陽的23倍,或是它輻射出23倍太陽光度的能量。

一顆熱星等為−10的明亮恆星的光度是106  ,而熱星等+17等星的暗星光度是10−5  。注意絕對星等可以直接與光度對應,但視星等則是距離的函數。因為只有視星等可以經由觀測直接測量,而有了估計的距離才能確定目標的光度。

参考资料

  1. ^ Luminosity | astronomy. Encyclopedia Britannica. [24 June 2018]. (原始内容存档于2023-06-22) (英语). 
  2. ^ * Luminosity (Astronomy) - Definition,meaning - Online Encyclopedia. en.mimi.hu. [24 June 2018]. (原始内容存档于2023-05-20). 
  3. ^ Hopkins, Jeanne. Glossary of Astronomy and Astrophysics 2nd. The University of Chicago Press. 1980. ISBN 978-0-226-35171-1. 
  4. ^ Morison, Ian. Introduction to Astronomy and Cosmology. Wiley. 2013: 193. ISBN 978-1-118-68152-7. 
  5. ^ 张以谟; 张红霞; 贾大功. 应用光学 4 版. 中国北京: 电子工业出版社. 2015年4月: 110. ISBN 978-7-121-25146-7. 
  6. ^ 6.0 6.1 李宗伟; 肖兴华. 天体物理学. 北京: 高等教育出版社. 2012年12月. ISBN 978-7-04-036616-7.