Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Каждая частица внутри Солнца испытывает действие гравитационной силы со стороны других частиц. Гравитация, в отличие от магнитных сил, всегда притягивает тела друг к другу. Поэтому Солнце все время сжато под действием своей собственной гравитации. Эта сила препятствует Солнцу рассеяться в космическом пространстве. Небольшой расчет показывает, что эта сила очень эффективна. При температуре поверхности в 6000 К тепловая скорость отдельных атомов составляет около 10 км/с. Если «отключить» гравитацию, эти частицы в течение дня пролетят расстояние, равное 1 радиусу Солнца. Следовательно, всего за день размер Солнца увеличился бы вдвое. Короче говоря, за несколько недель без гравитации оно бы полностью рассеялось в пространстве. Без гравитации не было бы звезд, Солнца, не было бы нас! Однако эта сила должна быть чем-то уравновешена. Если бы гравитация была единственной силой на Солнце, все вещество устремилось бы с катастрофической скоростью внутрь, ведь время свободного падения для Солнца составляет примерно полчаса. Что же это за волшебная сила, препятствующая такому процессу?

Эта сила — внутреннее давление газа. Когда шар сжимают, газовое давление внутри него восстанавливает его прежнюю форму. Газовое давление также поддерживает атмосферу Земли. Если говорить строже, то сила, уравновешивающая гравитацию,— это градиент газового давления. Наблюдения показывают, что звезды, в частности Солнце, чрезвычайно устойчивы на протяжении миллионов лет, и это приводит нас к выводу, что любая небольшая часть Солнца находится в устойчивом равновесии вследствие идеального баланса сжимающей силы гравитации и отталкивающей силы градиента давления. Давление в центре Солнца, составляющее миллиарды атмосфер, может быть грубо оценено путем расчета веса столба газа, вытянутого от центра Солнца до фотосферы.

В соответствии с физическими газовыми законами давление и температура фиксированной массы газа связаны между собой. При давлении в центре Солнца порядка 2,5×10¹¹ атмосфер температура должна составлять около 10 млн. градусов. Более точные расчеты дают значение в 14—16 млн. градусов.

Установив тот факт, что Солнце находится в идеальном равновесии, необходимо ответить на следующий важный вопрос. Известно, что горячая поверхность Солнца излучает энергию в количестве 3,83×10²⁶ Вт/с. Как компенсируются эти непрерывные потери? Без возмещения этих энергетических потерь Солнце неизбежно должно остыть и сжаться. Однако мы знаем, что на самом деле в течение 5 миллиардов лет поток энергии от Солнца почти не менялся.

Еще недавно астрономы совсем не понимали физической природы деятельности Солнца. У меня есть книга, опубликованная в 1892 г., в которой так объясняется энергетика Солнца: «Солнце является самым мощным очагом, дающим тепло и свет, какой только можно себе представить». Далее в этой книге говорится, что, по мнению астрономов, у Солнца под сверкающей поверхностью твердое и даже холодное ядро.

Одна из первых серьезных попыток объяснить энергетику Солнца была сделана в 1842 г. В этом году Майер предположил, что энергия Солнца пополняется падающими метеоритами. Однако вскоре было показано, что такой энергии Солнцу хватит ненадолго.

В качестве альтернативы лорд Кельвин (Уильям Томсон) и Герман фон Гельмгольц выдвинули гравитационную теорию, согласно которой ежегодное сокращение размера Солнца на 20 м могло бы дать энергию, достаточную для компенсации потерь на излучение. Такое слабое сжатие, измерить которое невозможно и в наши дни, могло бы поддержать жизнь Солнца на протяжении 50 млн. лет. Этот срок при тогдашнем состоянии геологических знаний о времени существования Земли казался вполне достаточным. Однако в начале двадцатого столетия было показано, что возраст окаменелостей и осадочных пород превышает сотни млн. лет, и необходим более эффективный механизм, нежели простое горение, для поддержания излучения Солнца. (Только после экспедиции на Луну стало ясным, что возраст Земли и Луны составляет 4,7 миллиарда лет, а Солнца — 5,6 миллиарда лет.)

Астрономы были поставлены в тупик перед проблемой объяснения продолжительности жизни Солнца, вытекающей из геологических данных. Спасителем явился сэр Джеймс Джинс. В 1920 г. он высказал предположение, что необходимая для жизнедеятельности Солнца энергия возникает за счет радиоактивности. Хотя в настоящее время эта гипотеза считается неверной, она заставила других ученых думать в правильном направлении, а именно рассматривать в качестве источника энергии Солнца и других звезд энергию, возникающую при превращениях атомов. Радиоактивность — это процесс, при котором ядра атомов распадаются обычно с излучением других частиц, но выделяющаяся при этом процессе энергия мала. Джинс предположил, что источником является энергия распада сверхатомов, которые, как он думал, могли остаться со времени ранней стадии развития Вселенной.