Qual é a intensidade radiante da esfera celeste?

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Especificamente, excluindo o Sol e a Lua:
quanta energia, como a luz e outras frequências, atinge um ponto no espaço em média, se você somar todas as fontes como estrelas distantes, a Via Láctea, galáxias distantes, nebulosas etc.? Quão mais brilhante é o espaço do que a "escuridão perfeita", em média?

Digamos, desenvolvemos uma bateria solar mágica que possui 100% de eficiência, pode absorver todas as frequências eletromagnéticas, é esférica, totalmente omnidirecional e possui 1m2da superfície da seção transversal (raio de 56cm); nós a enviamos a meio caminho para o Proxima Centauri e medimos quanta energia ela produz - quantos watts obteríamos da bateria utilizando toda a luz das estrelas disponível?

Nota: Se "todas as frequências" não puderem ser obtidas com facilidade, a contrapartida luminosa aos valores radiantes estará correta (apenas levando em consideração o espectro visível).

SF.
fonte
A densidade de potência de toda radiação EM em um determinado ponto no espaço vai depender da distribuição precisa das fontes EM (ou seja, quão distante e em que direção). Claramente, se você estiver muito próximo, por exemplo, ao Sol, a densidade de energia será diferente do que se você estiver a um ano-luz de distância -1r2fator é importante.
StephenG
@ StephenG: Definitivamente um ano-luz de distância ou mais. Solicitei especificamente excluir as "fontes locais" - "No meio do caminho para Proxima Centauri", mas uma interpretação menos "ficção científica" seria "enquanto em órbita, durante Lua Nova, com a nave do lado noturno, aponte um ângulo amplo . luz metros de distância da Terra e lê-lo para fora quantos watts / steradian ou lumens / steradian faz ler (multiplicar por 4pi para o céu todo)?.
. SF
Você pode resolver isso sozinho. Você sabe o quão luminoso é o Sol, sua magnitude e a magnitude das outras estrelas (você pode ajustar a mudança que está ocorrendo a meio caminho de Proxima). Você também sabe que magnitude é uma escala logarítmica. Exponencial, acrescente, e é praticamente isso. Eu posso ajudar (informações de contato no perfil), embora não faça isso por você.
Barrycarter 19/05/19
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BTW, para quem votou para fechar isso como muito amplo: "muito amplo" é se a resposta necessária for muito longa para um site de perguntas e respostas. Aqui a resposta é literalmente um único número, mais a unidade. Algo como "2,7 Watt / m ^ 2" ou "11 lúmens" - números obviamente compostos porque eu não conheço os corretos.
SF.
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Esta resposta do site de física pode responder à sua pergunta: [ physics.stackexchange.com/questions/196366/… (Resposta)
Agerhell

Respostas:

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A densidade de energia eletromagnética é dominada pelo fundo cósmico de microondas e pelo fundo óptico / infravermelho. Esta resposta da Física SE , contém o gráfico abaixo, mostrando a contribuição da densidade de energia em diferentes frequências. Você pode integrar isso "a olho nu" para ver que a contribuição do CMB é a maior seguida de perto por um aumento óptico / IR.

Uma trama de νIν(proporcional à densidade de energia por intervalo de frequência logarítmica), extraído de Hill et al. (2018)

insira a descrição da imagem aqui

O CMB é uma radiação aproximadamente isotrópica do corpo negro com uma temperatura de 2,73 K e, portanto, uma intensidade específica de Iν=2hν3c21exp[hν/kBT]1$

A integral disso em todas as frequências é

u=8π5(kBT)415(hc)3=4.2×1014  J m3

Em termos de poder, apenas multiplicamos por c para obter 1.3×105 Wm2.

Observe que você não pode aproveitar isso a menos que tenha um receptor mais frio que o CMB.

Você pode fazer um cálculo aproximado da contribuição da luz de fundo ótica observando que o céu escuro em um site astronômico bom e escuro é de cerca de 22 mag por arco quadrado de segundo na banda V. Somente cerca de 0,1-0,2 mag deste valor pode ser atribuído à poluição luminosa nos melhores locais astronômicos (ver, por exemplo, Benn e Ellison 2007 ). Observando que o ponto zero para a escala de magnitude da banda V é3.6×1012 Wm2 por angstrom para V=0 e tomando a banda óptica como 3000 angstroms, e observando que existem 5.34×1011 segundos de arco quadrado no céu, um ponto no espaço receberá 105 Wm2 (ou talvez cerca da metade disso, porque uma fração significativa do brilho do céu escuro é causada pelo brilho do ar).

Isso concorda aproximadamente com o que é mostrado na trama. Contribuições no infravermelho médio e em comprimentos de onda mais curtos que o óptico não contribuem significativamente.

Pode-se pensar que fontes discretas ou a Via Láctea podem contribuir mais, mas acho que não é esse o caso. O brilho da superfície da Via Láctea é apenas cerca de um fator três acima do brilho do céu escuro, mas é claro que ocupa uma pequena fração do céu total.

Uma maneira de ver que estrelas discretas não contribuem muito é notar que o fluxo óptico de todo o céu escuro é equivalente a cerca de 1000 estrelas de magnitude zero ou 107estrelas na 10ª magnitude. Ambos os números são mais altos em ordens de magnitude do que o número real de estrelas galácticas com esses brilhos.

Rob Jeffries
fonte
Boa resposta. Eu acho que o OP estava principalmente interessado em luz no alcance visual, no entanto. Se você puder encontrar o fluxo visual total da luz e uma figura para compará-lo com (fluxo da luz solar / luar / luz venuslight, por exemplo), conceder-lhe-ei a recompensa.
Ingolifs
"Quanta energia, como luz e outras frequências" @Ingolifs
Rob Jeffries
@Ingolifs: É uma resposta valiosa e, combinando-a com a vinculada à Physics.SE, devo conseguir valores para frequências mais "úteis". Vou esperar um pouco para aceitar, caso alguém esteja disposto a expandir ou corrigir alguma coisa, mas, em geral, é bastante satisfatório.
SF.
(Além disso, embora esses fótons sejam muito mais numerosos, eles são de baixa energia. Não sei se uma fração menor, mas mais energética, não contribui mais ...
SF.
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Revisado. O CMB não é tão dominante quanto eu pensava desde o primeiro olhar para o enredo.
Rob Jeffries