Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса - Уоллер Уильям

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

Солнце — это умеренно переменная звезда. На его поверхности есть пятна, число которых время от времени начинает возрастать от минимума, при котором их почти не видно, до тревожащего максимума, на достижение которого уходит 5,5 года, а затем снова снижается до «спокойного» минимума — и так завершается 11-летний цикл, за которым мы следили в телескопы сотни лет. Даже те, кто жил до Рождества Христова и наблюдал за Солнцем невооруженным глазом, отмечали большие пятна и их постепенные изменения. Эти астрономы, еще до появления телескопов проводившие свои исследования в Китае, на Аравийском полуострове и в Европе, полагались на туманные атмосферные условия, которые достаточно затемняли Солнце и делали наблюдение за ним хотя бы минимально «безопасным».

Сегодня мы уже понимаем, что солнечные пятна очерчивают границы относительно прохладных областей Солнца, магнитные поля которых в тысячи раз интенсивнее, чем у окружающей среды. По мере того как солнечных пятен становится все больше, они связывают общее магнитное поле Солнца в узлы нестабильной магнитной энергии. В конце концов магнитные поля, расположенные над солнечными пятнами, вновь соединяются и перестраиваются до более низких энергетических состояний, и при этом в космическое пространство в виде вспышек выбрасываются залпы заряженных частиц и рентгеновских фотонов. Иногда они уносят прочь от Солнца огромное количество вещества. Эти «корональ- ные выбросы массы» мчатся со скоростью 500 км/с, и если они направлены в сторону Земли, то по прошествии нескольких дней они взрывают нашу магнитосферу (рис. 5.5). Возникающие при этом полярные сияния могут быть поразительно прекрасны, а вот выход из строя силовых трансформаторов, телекоммуникационных спутников и других электронных технологий — это не столь приятные последствия солнечного «гнева». Можно лишь пожалеть того бедного астронавта, которому пришлось бы во время коронального выброса масс оказаться на Луне или отправиться на Марс или какой-нибудь относительно близкий астероид. Без оберегающей магнитосферы Земли этот бесстрашный путешественник подпал бы под сильнейшее излучение. Эта уязвимость — одна из ключевых проблем для долгосрочного исследования внутренних областей Солнечной системы.

Рис. 5.5. Считается, что горячая солнечная корона получает энергию за счет внезапной перестройки магнитных полей. Слева солнечная вспышка, снятая в рентгеновском диапазоне, становится ярче, что отмечает особенно интенсивное высвобождение магнитной энергии. Справа эруптивный протуберанец вызывает огромный корональный выброс массы. (Материалы любезно предоставлены Обсерваторией солнечной динамики NASA.)