Энергия Солнца

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое "топливо" дает ему энергию? Ответы на эти вопросы ученые искали веками, и только в начале XX в. было найдено правильное решение. Теперь известно, что Солнце, как и другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным реакциям. Что же это за реакции? <

Если ядра атомов легких элементов сольются в ядро атома более тяжелого элемента, то масса нового ядра окажется меньше, чем суммарная масса тех ядер, из которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн градусов. Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, - водород, на его долю приходится около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2% - более тяжелым элементам, таким, как углерод, азот, кислород и металлы. Главным "топливом" на Солнце служит именно водород. Из четырех атомов водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6*10 Дж энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы нагреть от температуры 0 С до точки кипения 1000 м воды!

Рассмотрим механизм термоядерной реакции превращения водорода в гелий, которая, по-видимому, наиболее важна для большинства звезд. Называется она протон-протонной, так как начинается с тесного сближения двух ядер атомов водорода - протонов. Протоны заряжены положительно, поэтому взаимно отталкиваются, причем, по закону Кулона, сила этого отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния и при тесных сближениях должна стремительно возрастать. Однако при очень высоких температуре и давлении теплового движения частиц столь велики, а частицам так тесно, что наиболее быстрые из них все же сближаются друг с другом и оказываются в сфере влияния ядерных сил. В результате может произойти цепочка превращений, которая завершится 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 сталкиваться с другими протонами, так и не дождавшись ядерного превращения. Но если в момент тесного сближения двух протонов произойдет еще и другое маловероятное для ядра событие - распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (такой процесс называется бета-распадом), то протон с нейтроном объединятся в устойчивое ядро атома тяжелого водорода - дейтерия.

Ядро дейтерия (дейтон) по своим свойствам похоже на ядро водорода, только тяжелее. Но в отличие от последнего в недрах звезды ядро дейтерия долго существовать не может. Уже через несколько секунд, столкнувшись еще с одним протоном, 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 ядра легкого гелия сближаются настолько тесно, что могут объединиться в ядро обычного гелия, "отпустив на свободу" два протона.

Итак, в итоге последовательных ядерных превращений образуется ядро обычного гелия. Порожденные в ходе реакции позитроны и гамма-кванты передают энергию окружающему газу, а нейтрино совсем уходят из звезды, потому что обладают удивительной способностью проникать через огромные толщи вещества, не задев ни одного атома.

Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно, возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре выгорит и превратится в гелий, и как скоро это произойдет? Оказывается, примерно через 5 млрд лет содержание водорода в ядре Солнца настолько уменьшится, что его "горение" начнется в слое вокруг ядра. Это приведет к "раздуванию" солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца, падению температуры на поверхности и повышению ее в ядре. Постепенно Солнце превратится в красный гигант - сравнительно холодную звезду огромного размера с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на этом не закончится, оно будет претерпевать еще много изменений, пока в конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого уже не происходит никаких термоядерных реакций.

Колебания Солнца. Гелиосейсмология

Земная сейсмология основана на особенностях распространения звука под землей. Однако на Солнце сейсмограф поставить нельзя. Поэтому колебания Солнца измеряют совершенно другими методами. Главный из них основан на эффекте Доплера. Так как солнечная поверхность ритмически опускается и поднимается (колеблется), то ее приближение-удаление сказывается на спектре излучаемого света. Исследуя спектры разных участков солнечного диска, получают картину распределения скоростей; конечно же, со временем она меняется - волны бегут. Периоды этих волн лежат в диапазоне примерно от 3 до 10 мин. Когда же они впервые были открыты, найденное значение периода составило примерно 5 мин. С тех пор все эти колебания называют "пятиминутными".

Скорости колебания солнечной поверхности очень малы - десятки сантиметров в секунду, и измерить их невероятно сложно. Но часто интересно не само значение скорости, а то, как оно меняется с течением времени (как волны проходят по поверхности). Допустим, человек находится в помещении с плотно зашторенными окнами; на улице солнечно, но в комнате полумрак. И вдруг едва заметное движение воздуха чуть сдвигает штору, и в глаза ударяет ослепляющий солнечный луч. Легкий ветерок вызывает столь сильный эффект! Примерно так же измеряют ученые малейшие измерения лучевой скорости солнечной поверхности. Роль шторы играют линии поглощения в спектре Солнца. Прибор, измеряющий яркость солнечного света, настраивается так, что-бы он пропускал лишь свет с длинной волны точно в центре какой-либо узкой линии поглощения. Тогда при малейшем изменении длины волны на вход прибора попадет не темная линия, а яркий соседний участок непрерывного спектра. Но это еще не все.

Чтобы измерить период волны с максимальной точностью, ее нужно наблюдать как можно дольше, причем без перерывов, иначе потом нельзя будет определить, какая это волна - та же самая или уже другая. А Солнце каждый вечер скрывается за горизонтом, да еще тучи время от времени набегают...

Первое решение проблемы состояло в наблюдениях за Южным полярным кругом - там Солнце летом не заходит за горизонт неделями и к тому же больше ясных дней, чем в Заполярье. Однако налаживать работу астрономов в Антарктиде сложно и дорого. Другой предложенный путь более очевиден, но еще более дорог: наблюдения из космоса. Такие наблюдения иногда проводятся как побочные исследования (например, на отечественных "Фобосах", пока они летели к Марсу. В конце 1995 г. был запущен международный спутник SOНО (Solar and Heliospheric Obsеrvatory), на котором установлено множество приборов, разработанных учёными разных стран.

Но большую часть наблюдений по-прежнему проводят с Земли. Чтобы избежать перерывов, связанных с ночами и плохой погодой, Солнце наблюдают с разных континентов. Ведь когда в Восточном полушарии ночь, в Западном - день, и наоборот. Современные методы позволяют представить такие наблюдения как один непрерывный ряд. Немаловажное условие для этого - чтобы телескопы и приборы были одинаковыми. Подобные наблюдения проводят в рамках крупных международных проектов.

Что же удалось узнать о Солнце, изучая эти необычные, беззвучные звуковые волны? Сначало представления об их природе не сильно отличались от того, что было известно о колебаниях земной коры. Ученые представляли себе, как процессы на Солнце возбуждают 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 частях солнечного диска связаны между собой (физики говорят: имеют одну фазу). Это можно представить себе так, будто вся поверхность покрыта равномерной сеткой волн, но в некоторых местах она невидна, а в других отчетливо проявляется. Получается, что разные области имеют тем не менее согласованную картину осциляций. Исследователи пришли к выводу, что солнечные колебания носят глобальный характер: волны пробегают очень большие расстояния и в разных местах солнечного диска видны проявления одной и той же волны. Таким образом, можно сказать, что Солнце "звучит, как колокол", т.е. как одно целое.

Как в случае с Землей, 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 исследовать свойства разных частей солнечных недр. Изучая волны с разной глубиной проникновения, удалось даже построить зависимость скорости звука от глубины! А поскольку из теории известно, что на нижней границе зоны конвекции должно быть резкое изменение скорости звука, удалось определить, где начинается солнечная конвективная зона. Это на сегодня одно из важнейших достижений гелиосейсмологии.

Есть у гелиосейсмологии и свои проблемы. Например, пока не удалось выяснить причину колебаний солнечной поверхности. Считается, что наиболее вероятный источник колебаний - грануляция: выходящие на поверхность потоки раскаленной плазмы, подобно мощным фонтанам, вызывают разбегающиеся во все стороны волны. Однако на деле все не так просто, и теоретики пока не смогли удовлетворительно описать эти процессы. В частности, неясно, почему волны столь устойчивы, что могут обежать все Солнце, не затухая?

С помощью методов гелиосейсмологии удалось установить, что внутренняя часть Солнца (ядро) вращается заметно быстрее, чем наружные слои. Неравномерное вращение Солнца оказывает на его осцилляции такое же воздействие, как трещина на колокол. В результате "звук" становится не очень чистым - изменяются существующие периоды колебаний и появляются новые. Это дает возможность исследовать вращение внутренних слоев, которое другими методами пока изучать нельзя. Считается, 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.

Солнечные инструменты

Основным инструментом астронома, что бы он ни изучал на небе, является телескоп. И хотя принцип действия всех телескопов общий, для каждой области астрономии разработаны свои модификации этого прибора.

Яркость Солнца велика, следовательно, светосила оптической системы солнечного телескопа может быть небольшой. Гораздо интереснее получить как можно больший масштаб изображения. Поэтому у солнечных телескопов очень большие фокусные расстояния. Самый крупный из них имеет фокусное расстояние 90 м и дает изображение Солнца диаметром около 80 см. Вращать подобную конструкцию было бы нелегко. К счастью, это и не нужно. Солнце движется по небосводу лишь в ограниченной его области, внутри полосы шириной около 47°. Поэтому солнечному телескопу не нужна монтировка для наведения в любую точку неба. Его устанавливают неподвижно, а солнечные лучи направляются подвижной системой зеркал - целостатом.

Бывают горизонтальные и вертикальные солнечные телескопы. Горизонтальный телескоп построить легче, так как все его детали находятся на горизонтальной оси. С ним и работать легче. Но у него есть один существенный недостаток. Солнце дает много тепла, и воздух внутри телескопа сильно нагревается. Нагретый воздух движется вверх, более холодный - вниз. Эти встречные потоки делают изображение дрожащим и нерезким. Поэтому в последнее время строят в основном вертикальные солнечные телескопы. В них потоки воздуха движутся почти параллельно лучам света и меньше портят изображение.

Лучшие фотографии Солнца, полученные на крупнейших инструментах, позволяют увидеть детали размером около 200 км. Обычные солнечные телескопы предназначены в основном для наблюдения фотосферы. Чтобы наблюдать самые внешние и сильно разреженные, а потому слабо светящиеся слои солнечной атмосферы - солнечную корону, пользуются коронографом. Изобрел его французский астроном Бернард Лио в 1930 г.

В обычных условиях солнечную корону увидеть нельзя, так как свет от нее в 10 тыс. раз слабее света дневного неба вблизи Солнца. Можно воспользоваться моментами полных солнечных затмений, когда диск Солнца закрыт Луной. Но затмения бывают редко и порой в труднодоступных районах земного шара. Да и погода не всегда благоприятна. А продолжительность полной фазы затмения не превышает 7 мин. Коронограф же позволяет наблюдать корону вне затмения.

Чтобы удалить свет от солнечного диска, в фокусе объектива коронографа установлена искусственная "луна". Кроме того, необходимо убрать рассеянный свет в телескопе. Самое важное - это хорошо отполированный объектив без дефектов внутри стекла. Коронографы обычно устанавливают высоко в горах, где воздух прозрачнее и небо темнее. Но и там солнечная корона все же слабее, чем ореол неба вокруг Солнца. Поэтому ее можно наблюдать только в узком диапазоне спектра, в спектральных линиях излучения короны. Для этого используют специальный фильтр или спектрограф.

Спектрографф - самый важный вспомогательный прибор для астрофизических исследований. Многие солнечные телескопы служат лишь для того, чтобы направлять пучек солнечного света в спектрограф. Основная характеристика спектрографа - его спектральное разрешение. Чем выше разрешение, тем более близкие спектральные линии можно увидеть раздельно. Разрешение зависит от нескольких параметров. Один из них - порядок спектра. Дифракционная решетка дает много спектров, видимых под разными углами. Говорят, что она имеет много порядков спектра.