Источники энергии Солнца. Почему Солнце светит и не остыва¬ет уже миллиарды лет? Какое «топ-ливо» даёт ему энергию?1 Ответы на эти вопросы учёные искали веками, и только в начале XX в. было найде¬но правильное решение.
Теперь из¬вестно, что Солнце, как и другие звёзды, светит благодаря протекаю¬щим в его недрах термоядерным ре¬акциям. Что же это за реакции? Если ядра атомов лёгких элемен¬тов сольются в ядро атома более тя-жёлого элемента, то масса нового ядра окажется меньше, чем суммар¬ная масса тех ядер, из которых оно образовалось.
Остаток массы пре¬вращается в энергию, которую уно¬сят частицы, освободившиеся в хо¬де реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер мо¬жет происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов. Поэтому она и называется термоядерной. Основное вещество, составляю¬щее Солнце, водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принад¬лежит гелию, а остальные 2% — бо¬лее тяжёлым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы.
Главным «топливом» на Солнце слу¬жит именно водород. Из четырёх атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грам¬ма водорода, участвующего в реак¬ции, выделяется 6-10" Дж энер¬гии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0° С до точ¬ки кипения 1000 м3 воды! Рассмотрим механизм термо¬ядерной реакции превращения водо¬рода в гелий, которая, по-видимому, наиболее важна для большинства звёзд. Называется она протон-про¬тонной, так как начинается с тесно¬го сближения двух ядер атомов во¬дорода — протонов.
Протоны заряжены положитель¬но, поэтому взаимно отталкиваются, причём, по закону Кулона, сила это¬го отталкивания обратно пропорцио-нальна квадрату расстояния и при тесных сближениях должна стреми¬тельно возрастать. Однако при очень высоких температуре и давлении скорости теплового движения час¬тиц столь велики, а частицам так тес¬но, что наиболее быстрые из них всё же сближаются друг с другом и ока¬зываются в сфере влияния ядерных сил. В результате может произойти цепочка превращений, которая за¬вершится возникновением нового ядра, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, — ядра гелия.
Далеко не каждое столкновение двух протонов приводит к ядерной реакции. В течение миллиардов лет протон может постоянно сталки¬ваться с другими протонами, так и не дождавшись ядерного превра¬щения.
Но если в момент тесного сближения двух протонов произой¬дет ещё и другое маловероятное для ядра событие — распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (та¬кой процесс называется бета-распадом), то протон с нейтроном объе¬динятся в устойчивое ядро атома тяжёлого водорода — дейтерия. Ядро дейтерия (дейтон) по своим свойствам похоже на ядро водоро¬да, только тяжелее. Но в отличие от последнего в недрах звезды ядро дейтерия долго существовать не мо¬жет. Уже через несколько секунд, столкнувшись ещё с одним прото¬ном, оно присоединяет его к себе, испускает мощный гамма-квант и становится ядром изотопа гелия, у которого два протона связаны не с двумя нейтронами, как у обычного гелия, а только с одним.
Раз в несколько миллионов лет такие яд¬ра лёгкого гелия сближаются на-столько тесно, что могут объеди¬ниться в ядро обычного гелия, «отпустив на свободу» два протона. Итак, в итоге последовательных ядерных превращений образуется ядро обычного гелия. Порождённые в ходе реакции позитроны и гамма-кванты передают энергию окружаю¬щему газу, а нейтрино совсем ухо¬дят из звезды, потому что обладают удивительной способностью прони¬кать через огромные толщина вещества, не задев ни одного атома.
Реакция превращения водорода в ге¬лий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше ге¬лия, чем на его поверхности. Есте¬ственно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдёт? Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его «горение» начнётся в слое вокруг ядра. Это приведёт к «разду¬ванию» солнечной атмосферы, уве¬личению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и по¬вышению её в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный ги¬гант — сравнительно холодную звезду огромного размера с атмо¬сферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, и оно будет претерпевать ещё много изменений, пока в конце концов не станет хо¬лодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций. 5. Колебания Солнца.
Земная сейсмология основана ил особенностях распространения звука под землёй. Однако на Солнце сейсмограф (прибор, регистрирующий колебания почвы) поставить нельзя.
Поэтому колебания Солнца измеряют совершенно другими мето¬дами. Главный из них основан на эф¬фекте Доплера. Так как солнечная по¬верхность ритмически опускается и поднимается (колеблется), то ее при¬ближение-удаление сказывается на спектре излучаемого света. Исследуя спектры разных участков солнечно¬го диска, получают картину распреде¬ления скоростей; конечно же, со вре-менем она меняется — волны бегут.
Периоды этих воли лежат в диапазо¬не примерно от 3 до 10 мин. Когда же они впервые были открыты, найден¬ное значение периода составило при¬мерно 5 мин. С тех пор все эти коле¬бания называют «пятиминутные». Скорости колебания солнечной поверхности очень малы — десятки сантиметров в секунду, и измерить их невероятно сложно.
Но часто инте-ресно не само значение скорости, а то, как оно меняется с течением вре-мени (как волны проходят по поверх¬ности). Допустим, человек находится в помещении с плотно зашторенны¬ми окнами; па улице солнечно, по в комнате полумрак И вдруг едва заметное движение воздуха чуть сдвигает штору, и в глаза ударяет ослепляющий солнечный луч. Лёгкий ветерок вызы¬вает столь сильный эффект! Пример¬но так же измеряют учёные малейшие изменения лучевой скорости солнеч¬ной поверхности.
Роль шторы играют линии поглощения в сектор Солнца (см. статью «Анализ видимого света»). Прибор, измеряющий яркость сол¬нечного света, настраивается так, что¬бы он пропускал лишь свет с длиной волны точно в центре какой-либо уз¬кой линии поглощения. Тогда при ма¬лейшем изменении длины волны на вход прибора попадёт не тёмная ли¬ния, а яркий соседний участок непре¬рывного спектра. По это ещё не всё. Чтобы измерить период волны с максимальной точностью, сё нужно наблюдать как можно дольше, причём без перерывов, иначе потом нельзя будет определить, какая это волна — та же самая или уже другая.
Л Солн¬це каждый вечер скрывается за гори¬зонтом, да ещё тучи время от време¬ни набегают Первое решение проблемы состо¬яло в наблюдениях за Южным поляр-ным кругом — там Солнце летом не заходит за горизонт неделями и к то¬му же больше ясных дней, чем в За¬полярье. Однако налаживать работу астрономов в Антарктиде сложно и дорого.
Другой предложенный путь более очевиден, но ещё более дорог: наблюдения из космоса. Такие наблю-дения иногда проводятся как побоч¬ные исследования (например, на отечественных «Фобосах», пока они ле¬тели к Марсу). В конце 1995 г. был за¬пущен международный спутник SOHO (Solar and Hemispheric Observa¬tory), на котором установлено множе¬ство приборов, разработанных учё¬ными разных стран. Но большую часть наблюдений по-прежнему проводят с Земли. Чтобы избежать перерывов, связанных с но¬чами и плохой погодой, Солнце на-блюдают с разных континентов.
Ведь когда в Восточном полушарии ночь, в Западном — день, и наоборот. Совре¬менные методы позволяют предста-вить такие наблюдения как один непрерывный ряд. Немаловажное ус¬ловие для этого — чтобы телескопы и приборы были одинаковыми. Подоб¬ные наблюдения проводят в рамках крупных международных проектов. Что же удалось узнать о Солнце, изучая эти необычные, беззвучные звуковые волны? Сначала представле¬ния об их природе не сильно отлича-лись от того, что было известно о колебаниях земной коры. Учёные представляли себе, как процессы на Солнце (например, грануляция) воз-буждают эти волны, и они бегут по поверхности нашего светила, словно морские волны по водной глади.
Но в дальнейшем обнаружился очень интересный факт; оказалось, что некоторые волны в разных час¬тях солнечного диска связаны между собой (физики говорят: имеют одну фазу). Это можно представить себе так, будто вся поверхность покрыта равномерной сеткой воли, по в неко¬торых местах она не видна, а в дру¬гих — отчётливо проявляется.
Полу¬чается, что разные области имеют, тем не менее, согласованную картину осцилляции. Исследователи пришли к выводу, что солнечные колебания носят глобальный характер: волны пробегают очень большие расстоя¬ния и в разных местах солнечного диска видны проявления одной и той же волны. Таким образом, можно сказать, что Солнце «звучит, как коло¬кол», т. е. как одно целое. Как и в случае с Землёй, колебания поверхности Солнца — лишь отзвук тех волн, которые распространяются в его глубинах.
Одни волны доходят до центра Солнца, другие затухают на полпути. Это и помогает исследо¬вать свойства разных частей солнеч¬ных недр. Изучая волны с разной глу¬биной проникновения, удалось даже построить зависимость скорости зву¬ка от глубины! А поскольку из теории известно, что на нижней границе зо¬ны конвекции должно быть резкое изменение скорости звука, удалось определить, где начинается солнеч¬ная конвективная зона. Это на сегод¬ня одно из важнейших достижений гелиосейсмологии. Есть у гелиосейсмологии и свои проблемы.
Например, пока не удалось выяснить причину колебаний солнеч¬ной поверхности. Считается, что наи-более вероятный источник колебании -грануляция: выходящие на поверхность потоки раскалённой плазмы, подобно мощным фонта¬нам, вызывают разбегающиеся во все стороны волны. Однако на деле всё не так просто, и теоретики пока не смогли удовлетворительно описать эти процессы.
В частности, неясно, почему волны столь устойчивы, что могу:1 обежать всё Солнце, не затухая? С помощью методов гелиосейсмо¬логии удалось установить, что внут-ренняя часть Солнца (ядро) вращает¬ся заметно быстрее, чем наружные слои. Неравномерное вращение Солнца оказывает на его осцилляции такое же воздействие, как трещина на колокол. В результате «звук» становит¬ся не очень чистым — изменяются существующие периоды колебаний и появляются новые. Это даёт возможность исследовать вращение внутренних слоев, которое другими методами пока изучать нельзя.
Считается, что именно благодаря неравномерному вращению Солнце имеет магнитное поле. Вот такая неожиданная и бурно развивающаяся сейчас область науки возникла из, казалось бы, ничем не примечательных измерений движений солнечной поверхности. 6.