Звезда по имени Солнце

Представьте жилище древнего человека. Самым главным местом там был очаг. Он дарил тепло, свет, на нём готовили еду. Потерять этот огонь, когда люди ещё не умели его добывать, было катастрофой — целое племя могло погибнуть. Наше Солнце — это такой же гигантский очаг для всей Солнечной системы! Оно даёт нам свет и тепло. Без него жизни на Земле просто не существовало бы. Ведь основа нашей биосферы — растения, которые научились запасать энергию солнечных лучей (этот процесс называется фотосинтезом). Не зря в мифах почти всех народов был бог Солнца — Ра, Гелиос, Ярило — один из самых главных и могущественных. Так что давайте уделим внимание нашему космическому очагу, под лучами которого зародилась и существует жизнь.

Масса Солнца огромна: 1,99 ∙ 10³⁰ кг. Трудно даже представить такие числа! Но для космоса это обычное дело. И что самое удивительное — на Солнце приходится почти 99,9 % массы всей Солнечной системы. Можно сказать, что масса Солнца — это и есть масса системы. Так что его главенство среди планет и прочих небесных тел не вызывает сомнений. Этой массы хватает, чтобы удерживать все планеты на своих орбитах.

А вот если посмотреть на всю нашу Галактику — Млечный Путь — Солнце здесь просто середнячок, рядовая звезда. Таких звёзд только в нашей Галактике, по разным подсчётам, от 200 до 400 миллиардов! И живём мы в тихой галактической «провинции», очень далеко от центра — на расстоянии 26 400 световых лет. Это место особенное — коротационный круг. Здесь скорости звёзд и спиральных рукавов Галактики совпадают, поэтому звёзды здесь редко сталкиваются. Нам очень повезло оказаться именно тут! Ведь если бы Солнце столкнулось с другой звездой, нашей маленькой Земле пришёл бы конец. А в коротационном круге такая вероятность минимальна.

Один полный оборот Солнца вокруг центра Галактики (это называют галактическим годом) длится примерно двести миллионов (200 000 000) лет.

Теперь о возрасте нашего светила. Солнце образовалось примерно 4,5 млрд лет назад. Оно родилось, когда огромное облако из водорода, гелия и других элементов под действием сил гравитации быстро сжалось. Звёзды с массой, как у Солнца, живут примерно 10 млрд лет. Так что по звёздным меркам наше Солнце сейчас в самом расцвете сил.

Среднее расстояние от Земли до Солнца астрономы знали ещё в древности: 149,6 млн км. Если лететь туда на самолёте со скоростью 800 км/ч, путешествие займёт больше пяти лет. А вот лучу света на это нужно всего 8 мин 19 с.

С Земли Солнце выглядит как шар. Его средний угловой диаметр — 9,3 ∙ 10⁻³ рад или примерно 32'.

Зная это расстояние и угол, можно вычислить радиус Солнца. Он равен 696 800 км — это в 109 раз больше радиуса Земли! Средняя плотность Солнца — 1400 кг/м³ или 1,4 ∙ 10³ кг/м³. Удивительно, но это лишь немного больше плотности воды и примерно в четыре раза меньше средней плотности нашей планеты. Однако по мере приближения к центру Солнца его плотность, как и температура с давлением, достигают максимальных значений.

Учёные сегодня хорошо изучили, что у Солнца внутри. С помощью специальных приборов — спектроскопов и разных телескопов — они ловят его излучение во всех диапазонах, наблюдают за его поверхностью и активностью. Это помогает понять внутреннее строение.

Солнце в основном состоит из водорода (около 90 %) и гелия (около 9 %). На все остальные элементы (железо, кислород, никель и другие) приходится меньше 2 %.

Мы знаем основные характеристики Солнца — и на поверхности, и в глубине, и даже природу той колоссальной энергии, которую оно (и другие звезды) постоянно излучает. Как же это узнали? Ведь не полетишь же к Солнцу с градусником! Здесь на помощь пришли физика и математика.

Давайте посмотрим на строение Солнца. В самом центре находится ядро. Его радиус — около 150 000 километров.

Там невероятно плотно и горячо: плотность примерно 150 000 кг/м³ — в 150 раз выше воды. Температура в самом центре превышает 15 000 000 К.

Долгое время перед учёными стоял важный вопрос: какое именно «топливо» обеспечивает Солнцу возможность производить колоссальное количество энергии на протяжении столь продолжительного периода? К примеру, Уильям Гершель полагал, что Солнце представляет собой холодное и плотное небесное тело, окутанное гигантским пламенем-океаном. Однако, согласно такому предположению, этот огненный океан исчерпал бы себя всего спустя несколько тысячелетий.

Герман Гельмгольц выдвинул гипотезу, согласно которой повышение внутренней энергии и рост температуры Солнца происходят благодаря его постепенному гравитационному сжатию. Это позволило продлить жизнь звезды до нескольких миллионов лет. Однако это явно недостаточно для объяснения существования Солнца в течение миллиардов лет.

Только в 30-е годы XX столетия американский астроном Ханс Альбрехт Бетэ предложил идею, что источником энергии Солнца являются протекающие внутри него термоядерные реакции. Именно он открыл водородный (или протон-протонный) цикл — последовательность из трёх ядерных превращений, результатом которых становится образование гелия из водорода и выделяется колоссальная энергия:

Каждую секунду Солнце «теряет» примерно 4,3 млн т водорода. Но пугаться не стоит: при общей массе Солнца этого топлива хватит ещё примерно на 5 млрд лет.

Термоядерные реакции идут только в ядре. Как же гигантская энергия оттуда добирается до поверхности? Мы знаем три способа передачи тепла: теплопроводность (как по металлической ложке), конвекция (перемешивание, как кипящая вода) и излучение (как свет от лампочки). Огромное давление возле ядра не даёт веществу перемешиваться (конвекция невозможна). Теплопроводность тоже плохо работает — представьте кочергу, полностью засунутую в большой костёр: все её части нагреются одинаково, и тепло не будет передаваться от одного конца к другому.

Остаётся только излучение. Энергия излучается в виде крошечных частиц света — фотонов. Фотон вылетает со скоростью света, но пролетает всего один микрон (одну миллионную метра) и поглощается атомным ядром. Ядро нагревается и излучает новый фотон. Этот новый фотон летит ещё микрон, снова поглощается. И так миллионы раз! Фотон движется случайным образом, часто даже обратно к центру. Путь фотона из ядра до края этой зоны занимает в среднем 170 000 лет! Поэтому эту область называют зоной лучистого переноса. Температура тут падает от 7 000 000 К в глубине до 2 000 000 К у границы, а плотность уменьшается от 20 до 0,2 плотности воды.

Ближе к поверхности Солнца вещество становится менее плотным, и тут уже включается конвекция. Энергию к поверхности переносят сами потоки раскалённой плазмы, как кипящая вода в кастрюле: нагретый снизу слой поднимается вверх, остывает и опускается вниз. Этот слой толщиной примерно 200 000 километров называется конвективной зоной.

Благодаря конвекции на поверхности Солнца мы видим гранулы. Представьте их как множество «кастрюлек»: в центре каждой горячая плазма поднимается, отдаёт энергию и опускается по краям обратно вглубь. Гранулы живут недолго — 10—15 минут. Это примерно то время, за которое вещество делает полный круг внутри гранулы.

И вот, наконец, наш фотон, подхваченный конвективным потоком, вырывается на поверхность Солнца — в фотосферу. Именно отсюда идёт основная часть видимого солнечного света. Температура здесь падает до 5800 кельвинов. Поэтому Солнце светит почти белым светом. Но прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли.

Над фотосферой лежит хромосфера — слой толщиной около 2000 километров. С её верхней границы постоянно вырываются струи солнечного вещества — спикулы. Их можно увидеть одновременно около 60 000 — 70 000. Увидеть хромосферу можно только во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает яркую фотосферу. Тогда она предстаёт во всем своём великолепии.

Венчает Солнце корона — его самая внешняя оболочка. Её основу составляют гигантские выбросы газа, похожие на огненные арки — протуберанцы. За пару месяцев протуберанец может вытянуться на 50 000 км. Достигнув такой высоты, он может взорваться и за несколько минут или часов выбросить огромное количество вещества в космос со скоростью до 1000 км/с. Когда такой выброс (корональный выброс массы) долетает до Земли, начинается геомагнитная буря. Это не только красивые полярные сияния, но и неприятности: помехи в радиосвязи, сбои в работе электроники, плохое самочувствие у метеочувствительных людей.

Корона рождает солнечный ветер — постоянный поток заряженных частиц от Солнца. Каждую секунду Солнце теряет с солнечным ветром примерно 10³⁶. За год это составляет потерю массы примерно 2,5 ∙ 10⁻¹⁴ М_☉.

Получается, наше Солнце — это гигантский, сложно устроенный термоядерный реактор, работающий уже миллиарды лет. А что же будет с ним дальше? Ведь от этого зависит будущее нашей цивилизации.

Учёные-физики смоделировали судьбу Солнца. Со временем оно будет становиться ярче. Через 1,1 млрд лет его яркость увеличится примерно на 11 %, а температура поверхности достигнет максимума. Это создаст серьёзную угрозу для жизни на Земле. Потом Солнце начнёт понемногу остывать, но его яркость будет продолжать расти.

Ещё через 2,4 млрд лет, когда Солнцу будет 8 млрд лет, его яркость будет уже на 40 % выше, чем сейчас. Из-за этого вся вода на Земле испарится, и условия станут похожими на сегодняшние условия на Венере.

Когда Солнцу исполнится 10,9 млрд лет и водород в ядре закончится, яркость Солнца будет более чем в два раза больше современной. Термоядерные реакции будут идти уже не в ядре, а в слоях вокруг него. Солнце начнёт раздуваться, его размер увеличится вдвое, а температура фотосферы упадёт до 4900 К кельвинов.

Достигнув возраста примерно 12,2 млрд лет, Солнце увеличится в размере более чем в двести раз, а температура его поверхности упадёт до 2650 К. Но яркость из-за реакций слияния гелия возрастёт в тысячи раз! В таких условиях ближайшие планеты, включая Землю, скорее всего, прекратят своё существование.

Когда же запасы гелия иссякнут, Солнце сожмётся, превратившись в очень горячую и очень плотную звезду размером примерно с Землю — белый карлик. Температура её поверхности вначале будет превышать 120 000 К, а яркость будет в 3500 раз больше нынешней. Потом, в течение миллиардов лет, это солнце-карлик будет медленно остывать. Такой путь типичен для звёзд солнечной массы.

Конечно, грустно думать, что наша планета когда-нибудь исчезнет. Но паниковать из-за будущего Солнца сегодня точно рано. Во-первых, у человечества могут найтись другие проблемы ещё до солнечных катаклизмов (хотя это и не утешает). А во-вторых, времени до этих событий так много, что, если человечество доживёт до этого момента, оно наверняка что-нибудь придумает. Некоторые писатели-фантасты даже шутят, что не Солнце угрожает человечеству, а наоборот — развивающаяся цивилизация в поисках энергии может однажды просто «съесть» Солнце.