Гайд по астрономии. Путешествие к границам безграничного космоса

Наша звезда властвует над остальными планетами и осколками, как Бог над смертными людьми. Неудивительно, что во многих пантеистических древних культурах Солнце почиталось как главное божество. Сегодня астрономы знают, что оно в 109 раз больше, в 1,3 миллиона раз объемнее и в 333 000 раз массивнее Земли. Озаряя космическое пространство, Солнце излучает в верхние слои земной атмосферы 1350 Вт/м² энергии, причем около двух третей от этого излучения доходит до поверхности нашей планеты. Проследив за этим излучением на протяжении 150 млн км, разделивших Землю и Солнце, астрономы подсчитали, что абсолютная светимость нашей звезды составляет около 4 • 10²⁶ Вт — это 400 триллионов триллионов ватт. За одну секунду Солнце вырабатывает достаточно энергии, чтобы удовлетворить все текущие потребности человечества на следующие 845 000 лет.

Строение Солнца

Согласно лучшей модели, которую нам удалось создать, Солнце представляет собой шар из перегретых газов, который сам поддерживает свою деятельность. В каждом слое внутренней части Солнца вес вышележащего вещества в точности уравновешивается внешним давлением, которое в этом слое оказывают горячие газы (рис. 5.1). Этот идеальный баланс между гравитацией, направленной внутрь, и давлением, направленным наружу, известен как гидростатическое равновесие. Чем глубже слой, тем больше вес вышележащего вещества — и тем выше давление, необходимое для противодействия этому весу, а возрастает оно благодаря сочетанию большей плотности газа и более высоких температур. Объединив основные законы термодинамики с гравитационной физикой, астрофизики смогли вычислить радиальные профили плотности и температуры, которые, по всей видимости, характерны для Солнца (рис. 5.2).

Рис. 5.1. Благодаря гидростатическому равновесию Солнце не сжимается само по себе и не расширяется бесконтрольно. В каждом слое весу вещества, давящего сверху, противостоит равное давление, оказываемое на этот слой нагретыми газами. В самых глубоких слоях сила гравитационного притяжения и сила давления достигают огромных значений. (По источнику: Horizons: Exploring the Universe, Michael Seeds, Cengage Learning [2002].)

Рис. 5.2. Радиальные профили плотности и температуры газа внутри Солнца, рассчитанные исходя из основных законов ньютоновского тяготения и классической термодинамики. Первичный источник энергии находится в ядре Солнца, высокая температура и плотность которого позволяют совершаться термоядерным реакциям. Энергия, выделяемая в ходе этих реакций, восполняет энергию, излучаемую в космическое пространство с поверхности Солнца.

Плотность в ядре Солнца превышает плотность любого земного вещества. Преодолев половину пути от ядра до видимой поверхности Солнца, газы разрежаются на два порядка, достигая значений плотности, близких к таковым у воды (около 1 г/см³). Примерно на 90 % пути к поверхности плотность эквивалентна плотности земной атмосферы на уровне моря, а затем она «входит в крутое пике» и в конечном счете стремительно падает, понижаясь более чем на десять порядков (в 10 миллиардов раз) по мере того, как мы удаляемся от видимой поверхности в разреженную атмосферу Солнца — корону.

Энергия Солнца

Температура в ядре Солнца оценивается примерно в 15 млн кельвинов. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля (–273 °C). Температура наших тел примерно равна 37 °C, что эквивалентно 310 К. Солнечное ядро намного-намного горячее. Наряду с несколькими квантовыми эффектами этого хватает, чтобы четыре атомных ядра водорода (4 протона) слились в одно атомное ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона), а возникающий при этом избыточный заряд выделился в форме двух позитронов. Масса четырех сочетающихся протонов превышает массу одиночного атомного ядра гелия, причем излишек составляет 0,007 от изначальной массы протонов (просто подумайте о Джеймсе Бонде). Он преобразуется в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc², где E — излишек энергии в расчете на реакцию, m — излишек массы (0,007 от реакционной), а с — скорость света (с = 3 • 10⁸ м/с). Поскольку скорость света — невероятно большая величина, даже небольшой излишек массы может привести к огромному излишку энергии. По ходу термоядерной реакции избыточная энергия высвобождается в виде гамма-квантов и нейтрино (рис. 5.3). Солнечное ядро, в котором протекают термоядерные реакции, обладает достаточной массой, чтобы подпитывать себя энергией в течение 10 млрд лет. Поскольку Солнечной системе не более 5 млрд лет, Солнце, по всей видимости, будет ярко светить еще в течение такого же срока.

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.)