Як працює Сонце

Сонце є джерелом і двигуном усього живого на землі. Воно дарувало тепло і світло за мільярди років до існування людини, і буде дарувати його ще мільярд. Звідки береться така міць? Які процеси відбуваються на нашому світилі, що дозволяють виділяти таку величезну кількість енергії? Як довго ще буде світити Сонце? В середньому величина випромінювання, витікаючого з кожного квадратного метра сонячної поверхні, становить 62 тис. кіловат, випромінюючи стільки світла, скільки його могли б дати 5 млн 100-ватних лампочок… І це протягом мільярдів років!

Над цими питаннями кращі уми б’ються ще з середини 19-го століття, з того часу, як були сформульовані фізиками закони збереження енергії. Перша версія була висунута Робертом Майером, який припустив, що Сонце світить за рахунок постійної бомбардування його поверхні метеоритами. Ця гіпотеза була відкинута, оскільки нескладні підрахунки показують, що для підтримки світимості Сонця на сучасному рівні необхідно, щоб на нього за кожну секунду падали метеорити загальною вагою в 2∙1015 кг. За рік це складе 6∙1022 кг, а за час існування Сонця, за 5 мільярдів років – 3∙1032 кг Маса Сонця, М = 2∙1030 кг, тому за п’ять мільярдів років Сонце повинно було випасти речовини в 150 разів більше маси Сонця.

Друга гіпотеза була належить Гельмгольцу і Кельвіну. Вони припустили, що Сонце випромінює за рахунок стиснення на 60-70 метрів щорічно. Причина стиснення – взаємне притягання частинок Сонця, саме тому ця гіпотеза отримала назву контракционной. Проте, якщо зробити розрахунок за даною гіпотезою, то вік Сонця обмежується 20-ма мільйонами років, що суперечить сучасним даними, отриманими з аналізу радіоактивного розпаду елементів у геологічних зразках земного грунту і грунту Місяця.

Третю гіпотезу про можливі джерела енергії Сонця висловив Джеймс Джинс на початку ХХ століття. Він висунув версію, що в надрах Сонця відбувається розпад радіоактивних елементів, при цьому випромінюється енергія. Однак розрахунки показують, що зірка, що складається цілком з одного урану, не виділяла б достатньо енергії для забезпечення спостережуваної світності Сонця. А адже в Галактиці існують зірки, по світності у багато разів перевершують світність Сонця.

У 1920 році видатний англійський астроном Артур Еддінгтон (1882-1944) вперше припустив, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерний синтез. Розвинув цю гіпотезу в 1935 році Ганс Бете. Він припустив, що джерелом сонячної енергії може бути термоядерна реакція перетворення водню в гелій. За це, до речі, Бете отримав Нобелівську премію в 1967 році.

Хімічний склад Сонця приблизно такий же, як і у більшості інших зірок. Приблизно 75 % – це водень, 25 % – гелій і менше 1 % – всі інші хімічні елементи (в основному, вуглець, кисень, азот тощо). Відразу після народження Всесвіту «важких» елементів не було зовсім. Всі вони, тобто елементи важче гелію і навіть багато альфа-частинки, що утворилися в ході «горіння» водню в зірках при термоядерному синтезі. Характерний час життя зірки типу Сонця десять мільярдів років.

Термоядерні реакції протікають лише при температурах понад 10 млн градусів. Така висока температура може панувати лише в самій центральній області Сонця з радіусом, рівним приблизно чверті сонячного. Енергія в цьому самоуправляемом термоядерному реакторі виділяється у вигляді жорстких гамма-квантів.

“Просочування” випромінювання з центру Сонця до поверхні відбувається вкрай повільно. При цьому в процесі перенесення енергії від шару до шару гамма-кванти дробляться. Спочатку вони перетворюються в кванти рентгенівських променів, потім в ультрафіолетове випромінювання… Потрібно близько 10 млн років, поки народжені в надрах зірки гамма-кванти вийдуть з нього фотони видимого світла. Таким чином, світло, що випускається Сонцем сьогодні, був породжений ще в кінці третинного періоду, тобто задовго до появи на Землі сучасної людини.

Основне джерело енергії – протон-протонний цикл – дуже повільна реакція (характерний час 7,9∙109 років), так як обумовлена слабкою взаємодією. Її суть полягає в тому, що з чотирьох протонів виходить ядро гелію. При цьому виділяються пари позитронів і пара нейтрино, а також 26,7 Мев енергії. Кількість нейтрино, що випромінюється Сонцем за секунду, визначається тільки светимостью Сонця. Оскільки при виділенні 26,7 Мев народжується 2 нейтрино, то швидкість випромінювання нейтрино: 1,8∙1038 нейтрино/с.

Пряма перевірка цієї теорії – спостереження сонячних нейтрино. Нейтрино високих енергій (борні) реєструються в хлор-аргонных експериментах (експерименти Девіса) і стійко показують недолік нейтрино в порівнянні з теоретичним значенням для стандартної моделі Сонця. Нейтрино низьких енергій, які виникають безпосередньо в рр-реакції, що реєструються в галій-германієвих експериментах (GALLEX в Гран-Сассо (Італія – Німеччина) та SAGE на Баксане (Росія – США)); їх також «не вистачає».

За деякими припущеннями, якщо нейтрино мають відмінну від нуля масу спокою, можливі осциляції (перетворення) різних сортів нейтрино (ефект Міхєєва – Смирнова – Вольфенштейна) (існує три сорти нейтрино: електронне, мюонное і тауонное нейтрино). Т. к. інші нейтрино мають набагато менші перерізу взаємодії з речовиною, ніж електронне, спостережуваний дефіцит може бути пояснений, не змінюючи стандартної моделі Сонця, побудованої на основі всієї сукупності астрономічних даних.

За підрахунками, кожну секунду Сонце переробляє близько 600 мільйонів тонн водню. Запасів водневого палива вистачить ще на п’ять мільярдів років, після чого вона поступово перетвориться на білий карлик.

Центральні частині Сонця будуть стискатися, розігріваючись, а тепло, яке передається при цьому зовнішній оболонці, призведе до її розширення до розмірів, жахливих порівняно з сучасними: Сонце розшириться настільки, що поглине Меркурій, Венеру і буде витрачати «пальне» в сто разів швидше, ніж в даний час. Це призведе до збільшення розмірів Сонця; наша зірка стане червоним гігантом, розміри якого можна порівняти з відстанню від Землі до Сонця! Життя на Землі до того часу повинна підшукати собі нове місце або форму.

На щастя, цей процес буде відбуватися поступово, і займе приблизно 100-200 мільйонів років. Коли температура центральній частині Сонця досягне 100 000 000 До почне згоряти і гелій, перетворюючись у важкі елементи, і Сонце вступить у стадію складних циклів стиснення і розширення. На останній стадії наша зірка втратить зовнішню оболонку, центральне ядро буде мати неймовірно велику щільність і розміри, як у Землі. Пройде ще кілька мільярдів років, і Сонце охолоне, перетворившись на білий карлик.