Между прославленными астрономами и космологами англичанином Фредом Хойлом и канадцем Расселом Ормондом Редманом однажды состоялся такой обмен репликами:
– В принципе, звезда имеет довольно простую структуру.
– Вы бы тоже выглядели довольно простым с расстояния в десять парсек.
Редман не был специалистом по Солнцу, но астрономы-солнечники могли бы подписаться под его словами. До Солнца, в отличие от других звезд, всего восемь световых минут – миллионные доли парсека. И чем больше мы узнаем о дневном светиле, тем больше убеждаемся в его сложном, причудливом, даже в чем-то парадоксальном устройстве.
Начнем с элементарного вопроса: каков размер Солнца? Чтобы ответить, нужно определить, где оно закачивается, а это не так-то просто. У Солнца нет твердой поверхности, его верхние слои состоят из разреженного газа. Здесь берет начало солнечный ветер – поток вещества, постоянно истекающий из звезды и заполняющий Солнечную систему. Условной поверхностью Солнца считается фотосфера – слой, где свет отрывается от вещества и отправляется в путешествие через космос. Именно фотосферу мы видим, глядя на солнечный диск невооруженным глазом. Когда говорят о радиусе Солнца, имеют в виду расстояние от центра до фотосферы.
Радиус нашей звезды – 700 000 км. Это означает, что Солнце в 109 раз больше Земли по диаметру и более чем в миллион раз – по объему. При этом Солнце массивнее нашей планеты в 330 тысяч раз. Разделив массу звезды на ее объем, получим среднюю плотность Солнца: около 1,4 грамма в кубическом сантиметре. Называя Солнце газовым шаром, не стоит забывать, что оно плотнее воды.
Фотоны – частицы света – рождаются в центре Солнца и постепенно пробиваются к поверхности. Проделаем этот путь вместе с фотоном.
Колыбель света
В центре Солнца находится ядро – самая горячая и плотная область. По разным оценкам, на ядро приходится от пятой до третьей части солнечного радиуса. Такой разброс цифр может показаться неприличным, но что же делать: никто еще не бывал внутри звезды. Впрочем, даже треть радиуса – это менее 4% объема Солнца и всего 10% его массы. Сердце светила невелико, но именно здесь происходят термоядерные реакции, делающие Солнце звездой.
В самом центре температура достигает 15 миллионов градусов. В таких условиях не могут существовать атомы. Вещество состоит из голых атомных ядер и оторванных от них электронов (такое состояние называется плазмой). Вышележащие слои своей громадной тяжестью создают давление в 250 млрд атмосфер. Поэтому плазма в центре Солнца в 15 раз плотнее свинца.
Высокая температура означает, что частицы плазмы движутся с огромной скоростью. Протоны (ядра водорода) сталкиваются друг с другом. Почти все такие столкновения заканчиваются тем, что столкнувшиеся частицы вновь разлетаются в разные стороны. Ведь они положительно заряжены, а одноименные заряды отталкиваются. Однако иногда столкнувшиеся протоны сливаются в ядро дейтерия – тяжелого изотопа водорода. Так начинается цепочка термоядерных реакций, которая называется протон-протонным циклом (pp-циклом). Она довольно сложная: в добром десятке реакций образуются и тут же исчезают дейтерий, литий, бериллий, бор. Но исход всего цикла прост. Из четырех протонов образуется одно ядро гелия, два электрона, а также несколько фотонов и нейтрино.
Продукты реакции в сумме весят несколько меньше, чем исходные протоны. Эта разница невелика: всего 7 граммов на 1 кг водорода. Но именно она превращается в энергию по знаменитой формуле E = mc2. Около 2% этой энергии уносят легкие всепроникающие частицы – нейтрино, а всю остальную – фотоны.
Куча гниющих листьев
Ежесекундно Солнце расходует свыше 600 млн тонн водорода. Из них в излучение превращается 4,3 млн тонн. Много ли это? В 2020 г. все электростанции мира выработали 27 петаватт-часов. Им пришлось бы работать в том же темпе четыре миллиона лет, чтобы произвести энергию, которую Солнце выделяет всего за одну секунду.
Если вы подумали, что наша звезда невероятно эффективный источник энергии, нельзя было ошибиться сильнее. Разделив энерговыделение Солнца на его массу, получим всего 0,2 милливатта на килограмм. Для сравнения: человек массой 70 кг в состоянии покоя выделяет около 100 Вт тепла. В пересчете на массу отдыхающий человек – в тысячи раз более эффективный обогреватель, чем Солнце, а о марафонце на дистанции и говорить нечего. Средний килограмм солнечного вещества выделяет не больше энергии, чем килограмм гниющих листьев.
Этот кажущийся парадокс разрешается просто. Масса Солнца – 2×1027 тонн, то есть два квадриллиона триллионов тонн. Что в сравнении с этим жалкие 600 млн тонн, ежесекундно вступающие в термоядерную реакцию?
Почему же термоядерное «горение» охватывает столь малую долю водорода? Все дело в первой реакции pp-цикла: превращении двух столкнувшихся протонов в ядро дейтерия. Оно крайне маловероятно даже при колоссальной температуре и давлении звездных недр. Но, как доказали математики, достаточное число обезьян с клавиатурами рано или поздно напечатает «Одиссею». Так и среди бесчисленных сталкивающихся протонов солнечного ядра найдутся те немногие, что все же вступят в реакцию. К слову, именно поэтому нет шансов искусственно воспроизвести pp-цикл: для этого нужен реактор размером со звезду.
В царстве лучей
Мы назвали фотоны частицами света, но это не совсем верно. Фотоны – частицы излучения. Какого именно излучения, зависит от их энергии. Самые энергичные фотоны относятся к гамма-лучам, затем идут рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, инфракрасные и радиофотоны.
В термоядерных реакциях рождаются энергичные гамма-фотоны. Примерно такие же гамма-лучи испускаются при радиоактивном распаде. К счастью для всего живого, долгий путь к поверхности Солнца меняет их до неузнаваемости, превращая в свет.
Покинув ядро звезды, фотоны попадают в следующий слой. Здесь уже не так жарко, поэтому в море плазмы попадаются уцелевшие атомы. Эти атомы поглощают фотоны. Спустя некоторое время атом заново излучает фотон, но уже с меньшей энергией. Остаток переходит в энергию движения атома, другими словами, расходуется на нагрев вещества (ведь температура и есть мера кинетической энергии атомов).
Похожий процесс мы можем наблюдать в погожий летний день. Свет, падающий на крышку стола, поглощается древесиной и нагревает ее. Теплая столешница, в свою очередь, испускает фотоны, но уже менее энергичные: не световые, а инфракрасные. Поэтому нагретый солнечным светом стол не сияет как лампочка, но светится в инфракрасных лучах (чтобы это заметить, нужны очки ночного видения).
Фотон, излученный атомом, летит до следующего атома, и все повторяется. Так фотон постепенно движется вверх от границы солнечного ядра: поглотился – переизлучился, поглотился – переизлучился… Атомы можно сравнить с баскетболистами, перебрасывающими друг другу мяч-фотон. Только, в отличие от баскетбольного мяча, фотон с каждым броском «худеет» (теряет энергию).
Этот слой Солнца так и называется зоной лучистого переноса, или просто лучистой зоной. Снизу она граничит с ядром, а верхняя граница простирается на расстоянии 0,5–0,66 радиуса от центра звезды.
0
119.00
