Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

На фотографиях, полученных при помощи телескопов в периоды хорошего качества изображения, видна тонкая «крапчатая» структура солнечной поверхности. Эта структура связана с конвективными ячейками и называется грануляцией. Некоторые из таких фотографий высокого качества получены при помощи телескопов, поднятых на большие высоты воздушными шарами (баллонами). Бурлящая поверхность Солнца непрестанно меняется по мере того, как образуются и исчезают отдельные гранулы, живущие всего несколько минут Измерения скорости в грануле показали, что в ярком центре гранулы вещество движется вверх, а на темной границе гранулы, где температура меньше, движение направлено вниз.

Рис. Гранулы представляют собой поднимающиеся вверх за счет конвекции столбики плазмы.

В то время как конвекция сильно возбуждает фотосферу, важные физические процессы происходят в хромосфере. Бурлящая фотосфера возбуждает хромосферную активность. Толчки снизу приводят к возникновению волн давления, или звуковых волн, пересекающих хромосферу. При своем прохождении через хромосферу волны нагревают вещество, увеличивая скорость атомов. Звуковые волны частично поглощаются в хромосфере. Этим поглощением механической энергии в некоторой степени и объясняется резкий подъем температуры хромосферы от 4500 К до 10⁶ К. Основание хромосферы представляет собой самую холодную область внешних слоев Солнца. Внутри хромосферы при подъеме на 2 м температура увеличивается на 1°. Кроме звуковых волн свою энергию передают хромосфере магнитогидродинамические и гравитационные волны, также возбуждаемые в фотосфере.

Рис. Верхняя хромосфера Солнца.

На границе хромосферы и короны температура достигает 10⁶ К. Внутри короны температура лежит в интервале (1—2)×10⁶ К; корона является самой горячей областью атмосферы Солнца. Она — мощный источник рентгеновской эмиссии, однако очень слабо излучает в видимой области спектра. Гравитационное поле не может надежно удерживать горячую корону; самый верхний слой короны истекает в космическое пространство, образуя солнечный ветер.

Рис. Солнечная корона.

Солнечный ветер исследуется космическими зондами. Несомненно, он движется в основном за счет энергии, выкачиваемой из конвективных областей Солнца. Выйдя из Солнца, частицы, унося с собой небольшую часть потока солнечной энергии, могут пересечь межпланетное пространство.

Проведенное нами исследование потока солнечной энергии от ядерной «печи» в центре Солнца до холодной Вселенной потребовало весьма существенных знаний об архитектуре Солнца, структуре его различных слоев, в частности о распределении температуры и плотности, а также полного представления о силах, приводящих к устойчивости Солнца. Стоит еще раз подчеркнуть, что Солнце — это единственная звезда, ряд физических характеристик которой можно измерить. Так, астрономы не могут обнаружить потоки частиц звездных ветров даже от ближайших звезд. Звездные короны в настоящее время обнаруживаются при помощи рентгеновских телескопов. Возможность исследования энергетических источников звезд вообще, а пекулярных звезд в частности, появилась только после того, как были обнаружены источники солнечной энергии, а именно ядерные реакции. Поэтому представляется законным вопрос, насколько уверенными могут быть астрономы в правильности нарисованной здесь картины? В весьма высокой степени, отвечают астрономы, однако ни один ученый не может быть настолько наивен, чтобы настаивать на абсолютной достоверности наших знаний о таком сложном объекте, как Солнце. Как мы увидим в следующей главе, до сих пор существуют некоторые сомнения относительно достоверности наших моделей внутренних слоев Солнца.

Загадка солнечных нейтрино

Ученые обычно строят модели, являющиеся упрощенным описанием определенного физического процесса. Инженер часто изучает поведение масштабных моделей, которые представляют собой миниатюрный вариант реального предмета. Для моделирования сложных структур или механизмов инженер применяет вычислительную машину. Астрономы не могут построить масштабные модели: их модели Вселенной, галактик и звезд чисто теоретические и всегда останутся такими из-за громадных размеров изучаемых объектов. Научные модели имеют несколько назначений. Чтобы модель можно было считать хорошей, она должна адекватно объяснять явление, для описания которого создана. Возьмем для примера законы всемирного тяготения. Законы Ньютона достаточно точно объясняют физические процессы повседневной жизни, например падение яблока или колебания маятника. Однако они не дают достаточно удовлетворительного объяснения движению орбиты планеты Меркурий в солнечном гравитационном поле. Для объяснения этого явления необходима более сложная модель — общая теория относительности Эйнштейна. Эта теория может объяснить эффект постоянного вращения орбиты Меркурия, обычно называемый поворотом перигелия Меркурия. Но даже теория Эйнштейна не дает полного объяснения поведению таких гравитационных объектов, как черные дыры.