Wszystkie obiekty o temperaturze powyżej zera bezwzględnego (0 K, -273,15 oC) emitują energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
Ciało doskonale czarne to teoretyczne lub modelowe ciało, które pochłania całe padające na nie promieniowanie, nie odbijając go ani nie przepuszczając. Jest to hipotetyczny obiekt, który jest „doskonałym” absorberem i „doskonałym” emiterem promieniowania na wszystkich długościach fal.
Rozkład widmowy energii cieplnej wypromieniowanej przez ciało czarne (tj. rozkład natężenia promieniowania w zakresie długości fal lub częstotliwości) zależy tylko od jego temperatury.
Credit: Swinburne
Właściwości promieniowania ciała czarnego można opisać w kategoriach kilku praw:
1. Prawo Plancka promieniowania ciała czarnego, wzór na wyznaczenie widmowej gęstości energii emisji przy każdej długości fali (Eλ) w danej temperaturze bezwzględnej (T).
2. prawo przesunięcia Wien’a, które mówi, że częstotliwość szczytu emisji (fmax) rośnie liniowo z temperaturą bezwzględną (T). I odwrotnie, wraz ze wzrostem temperatury ciała, długość fali w szczycie emisji maleje.
3. prawo Stefana-Boltzmanna, które wiąże całkowitą wyemitowaną energię (E) z temperaturą bezwzględną (T).
Na powyższym obrazku zauważ, że:
- Krzywe promieniowania ciała doskonale czarnego mają dość złożony kształt (opisany przez prawo Plancka).
- Profil widmowy (lub krzywa) w określonej temperaturze odpowiada określonej długości fali szczytowej, i odwrotnie.
- W miarę wzrostu temperatury ciała doskonale czarnego, długość fali szczytowej maleje (prawo Wiena).
- Intensywność (lub strumień) na wszystkich długościach fali wzrasta wraz ze wzrostem temperatury ciała doskonale czarnego.
- Całkowita energia wypromieniowywana (obszar pod krzywą) szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (prawo Stefana-Boltzmanna).
- Chociaż intensywność może być bardzo niska przy bardzo krótkich lub długich falach, w każdej temperaturze powyżej zera absolutnego energia jest teoretycznie emitowana przy wszystkich długościach fal (krzywe promieniowania ciała doskonale czarnego nigdy nie osiągają zera).
W astronomii gwiazdy są często modelowane jako ciała czarne, chociaż nie zawsze jest to dobre przybliżenie. Temperatura gwiazdy może być wydedukowana z długości fali szczytu jej krzywej promieniowania.
W 1965 roku, kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła (CMBR) zostało odkryte przez Penziasa i Wilsona, którzy później otrzymali za swoją pracę Nagrodę Nobla. Spektrum promieniowania zostało zmierzone przez satelitę COBE i okazało się być doskonale dopasowane do krzywej ciała doskonale czarnego o temperaturze 2,725 K i jest interpretowane jako dowód na to, że wszechświat rozszerza się i stygnie od około 13,7 miliarda lat. Nowsza misja, WMAP, zmierzyła szczegóły widma z dużo większą rozdzielczością, znajdując drobne wahania temperatury we wczesnym Wszechświecie, które ostatecznie doprowadziły do powstania wielkoskalowych struktur, które widzimy dzisiaj.