Hoe lang doet een foton erover de rand van de zon te bereiken?

De zon is een enorme kernfusiecentrale: in z’n kern worden bij een temperatuur van 15,5 miljoen K waterstofkernen omgezet in helium, middels de zogenaamde proton-proton cyclus. Je ziet hieronder dat in deze pp-cyclus naast Helium-4 ook elektronen (e⁺), neutrino’s (ν_e) en fotonen (γ) worden geproduceerd:

Fotonen zijn lichtdeeltjes en als die eenmaal het oppervlak van de zon hebben bereik kunnen ze in acht minuten bij de aarde zijn, waardoor wij de zon kunnen zien. De vraag is interessant hoe lang die fotonen erover doen het oppervlak van de zon te bereiken. De straal van de zon is 696.000 km, dus de met de lichtsnelheid reizende fotonen zouden in theorie ruim twee seconden moeten doen over die afstand. De neutrino’s doen dat inderdaad in die tijd, omdat ze nauwelijks reageren met andere deeltjes in de zon, maar de fotonen doen er in werkelijkheid heel wat langer over. Zij reageren namelijk continue met de ionen in de kern van de zon, de waterstof- en heliumkernen. Onder de omstandigheden in de kern – een druk van zo’n 2 x 10^16 pascal – kan een foton gemiddeld één centimeter reizen voordat ‘ie weer reageert met een ion. Dat zorgt er voor dat een foton voortdurend van richting veranderd en daarom is z’n reis een toevalsbeweging (Engels: random walk).

Hoe verder de fotonen in hun reis door de zon van de kern raken des te langer wordt het pad dat ze afleggen voordat ze weer reageren met ionen. Op ongeveer 2/3e van de afstand kern-oppervlak bereiken de fotonen de zogenaamde convectiezone, waar de temperatuur zakt van twee miljoen K naar 5300 K en waar de gassen door convectie omhoog en omlaag gaan. De fotonen reizen mee met de gassen en zo bereiken ze uiteindelijk het oppervlak. Berekend is dat de reis van de kern tot het oppervlak tussen de 20.000 en 150.000 jaar kan duren. Als wij dus vervolgens acht minuten later de fotonen zien dan kijken we eigenlijk naar licht dat tussen de 20.000 en 150.000 jaar oud is. Bedenk daarbij wel dat het foton dat in de kern bij de pp-cyclus was geproduceerd niet hetzelfde is als het foton dat ons oog bereikt. De fotonen in de kern zijn zeer energetisch, gammastraling vormend. Bij iedere interactie met ionen verliezen ze wat energie en ontstaan nieuwe fotonen. Eén hoogenergetisch foton produceert tijdens dit proces uiteindelijk enkele miljoenen fotonen van lagere energie aan het oppervlak. Bron: Brian Koberlein + NASA.