Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Уоллер Уильям

Наша звезда властвует над остальными планетами и осколками, как Бог над смертными людьми. Неудивительно, что во многих пантеистических древних культурах Солнце почиталось как главное божество. Сегодня астрономы знают, что оно в 109 раз больше, в 1,3 миллиона раз объемнее и в 333 000 раз массивнее Земли. Озаряя космическое пространство, Солнце излучает в верхние слои земной атмосферы 1350 Вт/м² энергии, причем около двух третей от этого излучения доходит до поверхности нашей планеты. Проследив за этим излучением на протяжении 150 млн км, разделивших Землю и Солнце, астрономы подсчитали, что абсолютная светимость нашей звезды составляет около 4 • 10²⁶ Вт — это 400 триллионов триллионов ватт. За одну секунду Солнце вырабатывает достаточно энергии, чтобы удовлетворить все текущие потребности человечества на следующие 845 000 лет.

Строение Солнца

Согласно

лучшей модели, которую нам удалось создать, Солнце представляет собой шар из перегретых газов, который сам поддерживает свою деятельность. В каждом слое внутренней части Солнца вес вышележащего вещества в точности уравновешивается внешним давлением, которое в этом слое оказывают горячие газы (рис. 5.1). Этот идеальный баланс между гравитацией, направленной внутрь, и давлением, направленным наружу, известен как гидростатическое равновесие. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащего вещества — и тем выше давление, необходимое для противодействия этому весу, а возрастает оно благодаря сочетанию большей плотности газа и более высоких температур. Объединив основные законы термодинамики с гравитационной физикой, астрофизики смогли вычислить радиальные профили плотности и температуры, которые, по всей видимости, характерны для Солнца (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Благодаря гидростатическому равновесию Солнце не сжимается само по себе и не расширяется бесконтрольно. В каждом слое весу вещества, давящего сверху, противостоит равное давление, оказываемое на этот слой нагретыми газами. В самых глубоких слоях сила гравитационного притяжения и сила давления достигают огромных значений. (По источнику: Horizons: Exploring the Universe, Michael Seeds, Cengage Learning [2002].)

Рис. 5.2. Радиальные профили плотности и температуры газа внутри Солнца, рассчитанные исходя из основных законов ньютоновского тяготения и классической термодинамики. Первичный источник энергии находится в ядре Солнца, высокая температура и плотность которого позволяют совершаться термоядерным реакциям. Энергия, выделяемая в ходе этих реакций, восполняет энергию, излучаемую в космическое пространство с поверхности Солнца.

Плотность в ядре Солнца превышает плотность любого земного вещества. Преодолев половину пути от ядра до видимой поверхности Солнца, газы разрежаются на два порядка, достигая значений плотности, близких к таковым у воды (около 1 г/см³). Примерно на 90 % пути к поверхности плотность эквивалентна плотности земной атмосферы на уровне моря, а затем она «входит в крутое пике» и в конечном счете стремительно падает, понижаясь более чем на десять порядков (в 10 миллиардов раз) по мере того, как мы удаляемся от видимой поверхности в разреженную атмосферу Солнца — корону.

Энергия Солнца

Температура в ядре Солнца оценивается примерно в 15 млн кельвинов. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля (–273 °C). Температура наших тел примерно равна 37 °C, что эквивалентно 310 К. Солнечное ядро намного-намного горячее. Наряду с несколькими квантовыми эффектами этого хватает, чтобы четыре атомных ядра водорода (4 протона) слились в одно атомное ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона), а возникающий при этом избыточный заряд выделился в форме двух позитронов. Масса четырех сочетающихся протонов превышает массу одиночного атомного ядра гелия, причем излишек составляет 0,007 от изначальной массы протонов (просто подумайте о Джеймсе Бонде). Он преобразуется в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc², где E — излишек энергии в расчете на реакцию, m — излишек массы (0,007 от реакционной), а с — скорость света (с = 3 • 10⁸ м/с). Поскольку скорость света — невероятно большая величина, даже небольшой излишек массы может привести к огромному излишку энергии. По ходу термоядерной реакции избыточная энергия высвобождается в виде гамма-квантов и нейтрино (рис. 5.3). Солнечное ядро, в котором протекают термоядерные реакции, обладает достаточной массой, чтобы подпитывать себя энергией в течение 10 млрд лет. Поскольку Солнечной системе не более 5 млрд лет, Солнце, по всей видимости, будет ярко светить еще в течение такого же срока.

Рис. 5.3. Цепочка протон-протонных термоядерных реакций, которая, как полагают, питает Солнце. Четыре протона (атомные ядра водорода) в конечном счете сливаются в одно атомное ядро гелия, содержащее два протона и два нейтрона. Избыточная энергия высвобождается в виде гамма-квантов и нейтрино. (Материалы любезно предоставлены Wikimedia Commons.)

Этот чудесный источник энергии, питающий Солнце, не появился бы, если бы на субатомном уровне не произошли некоторые поистине таинственные явления. Вы можете подумать, что температура в ядре Солнца, доходящая до 15 млн °C, крайне высока — но даже этого пекла недостаточно, чтобы протоны соединились и преодолели взаимное отталкивание, которое их электрические поля оказывают друг на друга. Впрочем, еще не все потеряно, поскольку протоны иногда могут обойти электростатическое отталкивание при помощи процесса, называемого квантовым туннелированием. Проще говоря, если протон сталкивается с другим протоном достаточное количество раз (скажем, 10¹⁰ раз), вероятность того, что один из них преодолеет электростатический барьер другого, становится значительной. Вероятности квантового туннелирования как раз хватает для того, чтобы в плотном ядре Солнца, с его «мизерной» температурой в 15 млн °C, протекал термоядерный синтез.

Перенос энергии

Гамма-кванты, которые высвобождаются в ходе термоядерных реакций, проходящих на Солнце, в конечном счете нагревают остальную его часть и заставляют солнечную поверхность ярко светить и излучать энергию в космическое пространство. Построив модель передачи этой энергии, гелиофизики установили наличие ряда особых зон с уникальными физическими свойствами (рис. 5.4). Эти зоны состоят из заряженных «ионов» водорода и гелия, у которых внешние электроны были сорваны с орбит, а также из свободных электронов. Вместе они составляют так называемую плазму. В зону лучистого переноса входят те слои, где энергия передается посредством взаимодействий между фотонами и атомами, из которых состоит газ. В каждом последующем слое нагревается все больше атомов, и они испускают все больше фотонов, а энергия каждого повторно излученного фотона уменьшается. В итоге во все более высоких слоях внутренней области Солнца происходит понижающее преобразование гамма-квантов в рентгеновские фотоны, обладающие более низкой энергией, и в фотоны ультрафиолетового излучения. Можно сравнить этот процесс с тем, как перекупщики конвертируют одну стодолларовую банкноту в сумму чуть меньше 10 000 центов и забирают свою «справедливую долю». Отдельные взаимодействия между фотонами и веществом случайны, и, если попытаться усмотреть в них хоть какую-то последовательность, она будет напоминать «прогулку пьяницы». Впрочем, мы все же можем проследить медленное движение к внешним областям, которое следует за радиальным градиентом понижающейся температуры Солнца. В целом на то, чтобы энергия, заключенная в исходных гамма-квантах, прошла через зону лучистого переноса, требуется около миллиона лет.

Рис. 5.4. Внутреннее строение Солнца: теоретические модели, основанные на радиальных профилях внутренней температуры и плотности Солнца, выявили различные зоны, обладающие особыми физическими свойствами. Если перечислять от внутренних областей к внешним, то это зона термоядерных реакций (ядро), зона лучистого переноса и конвективная зона. Попытки установить глубину последней ограничены гелиосейсмическими измерениями, с помощью которых на поверхности вздымающегося Солнца можно зафиксировать и проанализировать предпочтительные колебания и соответствующие длины волн. За пределами видимой поверхности (или фотосферы) солнечную плазму разграничивают хромосфера, переходная область и корона. При этом температура постоянно растет, а плотность уменьшается.

Примерно по прошествии двух третей пути от центра Солнца к его внешним областям зона лучистого переноса сменяется конвективной зоной, где энергия передается наружу за счет объемного кипения газообразного вещества. Фотосфера — это видимая поверхность, откуда исходит большинство фотонов, которые мы можем зрительно воспринимать. Непосредственно над ней располагается хромосфера — более горячий и разреженный слой. Ее рубиново-красное излучение (от ионизированного водорода) видно всегда, когда Луна затмевает яркую фотосферу. Прозрачную корону можно считать внешней атмосферой Солнца, поскольку она простирается далеко за пределы Земли и даже проникает во внешнюю Солнечную систему. Корона более разрежена, чем любой вакуум, который можно создать в лаборатории. Но все же, вопреки ожиданиям, основанным на классических законах термодинамики, это не низкотемпературная окраина Солнца. И более того, астрономы обнаружили, что корона даже горячее, чем самые сокровенные области солнечного ядра!

Пока неясно, как корона может быть настолько раскаленной, при этом находясь так далеко от основного источника солнечной энергии. Недавние исследования, проведенные с помощью наземных телескопов и космических солнечных обсерваторий, показывают, что магнитные поля, пронизывающие фотосферу, хромосферу и солнечную корону, содержат огромное количество энергии. Как полагают астрономы, именно эта магнитная энергия каким-то образом ответственна за повышение температуры короны.

Солнечная активность