В 19 веке появилась спектроскопия, с помощью которой удалось разложить солнечные лучи на отдельные цвета. Таким образом, благодаря линиям поглощения Фраунгоферу удалось обнаружить новый химический элемент в составе звезды — гелий.
Путешествие из центра Солнца
Согласно общепринятым оценкам, Солнце образовалось 4,59 миллиарда лет назад. Хотя некоторые астрономы недавно предположили, что возраст Солнца составляет около 6-7 миллиардов лет, это всего лишь гипотеза. Конечно, наше Солнце не возникло из ничего. Ее матерью было огромное облако газа и пыли, состоящее в основном из молекулярного водорода, которое медленно сжималось и деформировалось под действием собственной гравитации, пока не превратилось в плоский диск. Возможно также, что произошло космическое событие, которое усилило гравитационную нестабильность облака и вызвало его коллапс (это могла быть встреча с массивной звездой или взрыв сверхновой). В центре диска был создан светящийся плазменный шар с температурой поверхности в несколько тысяч градусов, который преобразовал часть своей гравитационной энергии в тепло.
Новорожденное светило продолжало сжиматься и нагревать все больше и больше своих внутренностей. Через несколько миллионов лет они достигли температуры в 10 миллионов градусов Цельсия, и таким образом начались самоподдерживающиеся термоядерные реакции. Молодая протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Материя на ближней и дальней периферии диска конденсировалась в холодные тела, планеты и планетоиды.
Это обычная желтая звезда очень распространенного класса G2. Каждые 225-250 миллионов лет она совершает полный оборот по почти круговой орбите радиусом 26 000 световых лет вокруг центра типичной крупной спиральной галактики с пассивным ядром, не излучающим сильных потоков энергии. Однако именно эта ежедневная рутина делает нас счастливыми. Более холодные и более теплые звезды (и тем более те, которые находятся вблизи активных галактических центров) гораздо меньше подходят на роль колыбели жизни, по крайней мере, углерода. Изображение.
Вот некоторые паспортные данные для Солнца. Возраст — 4,59 млрд лет; масса — 1,989×10 30 кг; средний радиус — 696 000 км; средняя плотность — 1,409 г/см3 (плотность земного вещества в четыре раза выше); эффективная температура поверхности (рассчитанная в предположении, что Солнце излучает как абсолютно черное тело) — 5503 °C (в пересчете на абсолютную температуру — 5778 Кельвина); полная лучистая мощность — 3,83×10 23 кВт.
Поскольку Солнце не вращается вокруг своей оси, у него нет строго определенного дня. Поверхность экваториальной зоны совершает полный оборот за 27 земных суток, а перигелийные зоны — за 35 суток. Осевое вращение внутренней части Солнца еще более сложное и пока не изучено во всех подробностях.
В химическом составе солнечного вещества, естественно, преобладают водород (около 72 % массы) и гелий (26 %), чуть меньше одного процента составляет кислород, 0,4 % — углерод и около 0,1 % — неон. Если эти соотношения выразить в терминах количества атомов, то на каждый миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 850 атомов кислорода, 360 атомов углерода, 120 атомов неона, 110 атомов азота и по 40 атомов железа и кремния.
Солнечная механика
Слоистую структуру солнца часто сравнивают с луковицей. Эта аналогия не очень удачна, поскольку сами слои пронизаны мощными вертикальными потоками материи и энергии. Но в качестве первого приближения это приемлемо. Солнце светит благодаря термоядерной энергии, вырабатываемой в его ядре. Температура там достигает 15 миллионов градусов Цельсия, плотность 160 г/см3, давление 3,4×10 11 атм. В этих адских условиях происходит несколько цепочек термоядерных реакций, образующих протон-протонный цикл (p-p цикл). Он получил свое название от первой реакции, в которой два протона сталкиваются, производя ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино.
Процессы внутри Солнца оказывают непосредственное влияние на судьбу нашего Солнца. По мере уменьшения запасов водорода ядро постепенно сжимается и нагревается, увеличивая яркость Солнца. С момента превращения в звезду главной последовательности она уже увеличилась в размерах на 25-30% — и этот процесс будет продолжаться. Примерно через 5 миллиардов лет ядро достигнет температуры около ста миллионов градусов, после чего в его центре произойдет воспламенение Солнца (с образованием углерода и кислорода). В это время водород на периферии будет гореть, при этом зона горения немного сместится к поверхности. Солнце потеряет свою гидростатическую стабильность, его внешние слои сильно раздуются, и оно превратится в огромное, но не очень яркое светило, красный гигант. Яркость этого гиганта будет на два порядка больше, чем у современного Солнца, но срок его жизни будет короче. Большое количество углерода и кислорода быстро накапливается в центре ядра, которое не может взорваться из-за отсутствия температуры. Внешний гелиевый слой будет продолжать гореть, постепенно расширяясь и тем самым охлаждаясь. Скорость плавления при сгорании гелия чрезвычайно высока при повышении температуры и снижается при понижении температуры. В результате внутренняя часть красного гиганта начинает сильно пульсировать, и в конце концов его атмосфера выбрасывается в окружающую Вселенную со скоростью десятки километров в секунду. Сначала разрушающаяся звездная оболочка ярко светится синим и зеленым светом под воздействием ионизирующего ультрафиолетового излучения расположенных ниже звездных слоев — на этой стадии она называется планетарной туманностью. Но через тысячи или десятки тысяч лет туманность остынет, станет темнее и растворится в космосе. Элементы ядра вообще не будут трансформироваться, а ядро будет только светиться от накопленной тепловой энергии, становясь все холоднее и холоднее и угасая. Такие холодные остатки мертвых звезд, подобных Солнцу, называются белыми карликами.
В ходе этих превращений (которых несколько) сгорает водород и образуются различные изотопы элементов периодической таблицы, такие как гелий, бериллий, литий и бор. Последние три элемента либо вступают в ядерные реакции, либо распадаются, но гелий остается — точнее, его основной изотоп, гелий-4. В результате ядро гелия состоит из четырех протонов, двух позитронов и двух нейтрино. Позитроны немедленно аннигилируют с электронами, и нейтрино покидают Солнце, практически не реагируя на солнечную материю. Каждая реакция p-p цикла высвобождает 26,73 мегаэлектронвольт в виде кинетической энергии образующихся частиц и гамма-излучения.
Если бы протосолнечное облако состояло исключительно из элементов, созданных в результате Большого взрыва (водорода и гелия-4 с очень небольшой примесью дейтерия, гелия-3 и лития-7), эти реакции были бы его концом. Однако состав протосолнечной материи был гораздо богаче, о чем свидетельствует хотя бы присутствие железа в солнечной атмосфере. Этот элемент, как и его ближайшие соседи по таблице Менделеева, встречается только в недрах гораздо более массивных светил, где температура достигает миллиардов градусов. Солнце не входит в их число. Если железо присутствует, то только потому, что первичное облако уже было загрязнено этим металлом и многими другими элементами. Сверхновые — это компоненты Солнца, которые уже были загрязнены этим металлом в первичном облаке, а также многими другими элементами.
Лучистый перенос
Внешняя граница ядра находится на расстоянии около 150 000 км от центра Солнца (радиус 0,2). В этой зоне температура опускается примерно до 9 миллионов градусов Цельсия. При последующем охлаждении реакции протон-протонного цикла останавливаются — протоны не имеют кинетической энергии для преодоления электростатического отталкивания и слияния с ядром дейтерия. Реакции цикла CNO также не протекают там, потому что их температурный порог еще выше. Таким образом, на пороге ядра термоядерное солнце оказывается в вакууме.
Ядро окружено толстым сферическим слоем, который заканчивается вертикальной плоскостью радиусом 0,7 солнечного радиуса. Это радиационный пояс. Она заполнена водородно-гелиевой плазмой, плотность которой уменьшается в сто раз с 20 до 0,2 г/см3 по мере продвижения от внутреннего края зоны к внешнему. Хотя внешние слои плазмы холоднее внутренних, градиент температуры не настолько велик, чтобы создать вертикальные потоки вещества, которые переносят тепло от нижних слоев к верхним (этот механизм переноса тепла называется конвекцией). Конвекции нет и не может быть в надъядерном слое. Энергия, выделяемая в ядре, проходит через ядро в виде квантов электромагнитного излучения.
Солнце вращается вокруг своей оси, но не как единое целое. На рисунке показана компьютерная модель, основанная на доплеровских измерениях скорости вращения частей Солнца, собранных солнечной обсерваторией SOHO. Цвет указывает на скорость вращения (в порядке убывания: красный, желтый, зеленый, синий). Полосы горячей плазмы, движущиеся с разной скоростью, образуют «полосы», на границах которых происходит возмущение локальных магнитных полей, что приводит к скоплению солнечных пятен. Изображение «Популярная механика
Как это может произойти? Гамма-лучи, генерируемые в центре ядра, рассеиваются по всему веществу ядра, постепенно теряя энергию. Они достигают границ ядра в виде мягкого рентгеновского излучения (длина волны порядка нанометра, энергия 400-1300 эВ). Плазма внутри почти непрозрачна для них, и фотоны могут пройти через плазму на доли сантиметра. При столкновениях с ионами водорода и гелия кванты высвобождают свою энергию, часть которой используется для поддержания кинетической энергии частиц на прежнем уровне, а часть вновь излучается в виде новых квантов большей длины. Таким образом, фотоны постепенно рассеиваются по плазме, умирают и возрождаются. Рассеивающиеся кванты легче уходят вверх (где материя менее плотная), чем вниз, и поэтому излучаемая энергия течет из глубины ленты к ее внешнему краю.
Поскольку материя неподвижна в области радиационного переноса, она вращается в глобальном масштабе вокруг солнечной оси. Но только на время. По мере продвижения фотонов к солнечной поверхности они проходят все большие расстояния между столкновениями с ионами. Это означает, что разница в кинетической энергии между частицами, которые они испускают, и частицами, которые они поглощают, увеличивается, потому что солнечная материя горячее на больших глубинах, чем на меньших. Это дестабилизирует плазму и создает условия для естественного переноса материи внутри нее. Зона радиационного переноса становится зоной конвекции.
