Лев Мухин - В нашей галактике
Чижевского можно с полным правом считать первым человеком, который перекинул мост между Солнцем и Землей. Его идеи оказались настолько плодотворными, что сейчас возникает новая отрасль науки — гелиобиология. У нас в Советском Союзе различными вопросами гелиобиологии занимаются в Крымской астрофизической обсерватории.
Сегодня, по-видимому, ясно, что люди с больным сердцем сильнее чувствуют изменения, происходящие на Солнце. Число сердечно-сосудистых заболеваний увеличивается с увеличением числа пятен на Солнце. Все это очень и очень интересно, но причин этой зависимости мы пока до конца не знаем. И тем не менее существование солнечно-земных связей можно считать очевидным.
Не только пятна появляются на видимой поверхности нашего светила. Над фотосферой располагается еще более разреженная и еще более горячая область, называемая хромосферой. Если толщина фотосферы составляет всего около 500 километров, то хромосфера простирается на расстояние около 2500 километров. И опять с участием магнитных полей Солнца в хромосфере происходят чудовищные взрывные процессы — вспышки. Они продолжаются так долго, что по земным меркам их даже трудно назвать взрывами. И тем не менее это настоящие взрывы: температура газа в верхней части хромосферы повышается до десяти миллионов градусов.
Взрыв длится от нескольких минут до нескольких часов. Огромные массы вещества выбрасываются из хромосферы Солнца — это изверженные протуберанцы. Трудно представить себе масштаб такого явления. В 1928 году наблюдался протуберанец высотой в 900 тысяч километров.
Взрывные протуберанцы зарождаются вблизи солнечных пятен. Но есть еще и спокойные протуберанцы — огромные «облака», плавающие над хромосферой и соединенные с нею как бы отдельными щупальцами. Эти протуберанцы имеют также немалые размеры — до 600 тысяч километров в длину. О протуберанцах человечеству известно очень давно. В одной из древнерусских летописей, где было описано солнечное затмение 1 мая 1185 года, мы читаем: «…и в солнци учинися яко месяц, из рог его уголь жаров искажаше: страшно бе видети человеком знамение божие».
И снова, зная уже наверняка более тысячи лет явление вспышек на Солнце, сегодняшняя физика не в состоянии до конца объяснить все детали этого процесса. А ведь вспышки представляют интерес не только с точки зрения физики Солнца. Возмущения в ионосфере Земли: полярные сияния, перерывы в коротковолновой связи на Земле — связаны со вспышками. Сейчас многие ученые склоняются к тому, что хромосферные вспышки — сложное взаимодействие магнитных полей.
Много удивительного мы узнали о Солнце даже за такой короткий промежуток времени, как сотня лет. Ведь еще в 1835 году французский философ-позитивист О. Конт писал о небесных телах, что возможно определение их формы, расстояний до них, размеров, но невозможно определить температуру звезды, ее химический состав.
Минуло немногим более ста лет, мы знаем и температуру Солнца, и его химический состав. Более того, знаем температуру его недр, представляем достаточно хорошо происходящие внутри нашей звезды процессы. С каждым годом Солнце все больше приоткрывает завесу своих тайн. И все-таки, мне кажется, я сумел убедить читателя в том, что еще не одно поколение физиков будет испытывать чувство неудовлетворенности из-за невозможности ответить на целый ряд вопросов о свойствах самой близкой к человеку звезды.
Но вернемся к «портрету» нашего желтого карлика. Как всякий истинный властелин (а Солнце — центральная фигура среди всех небесных тел, окружающих его), карлик имеет корону.
Корона хорошо видна невооруженным глазом во время солнечных затмений, и надо сказать, что даже простые фотографии короны производят сильное впечатление. Корона, самая внешняя часть «атмосферы» Солнца, состоит из чрезвычайно разреженного газа, нагретого до двух миллионов градусов.
Сразу же может возникнуть вполне естественный вопрос: почему температура фотосферы ниже температуры хромосферы и короны? Ответ состоит в том, что звуковые волны, голос Солнца, служат источником энергии, который нагревает корону. Именно поэтому во время затмения можно видеть яркий нимб, окружающий нашу звезду. Размеры короны солидны — несколько радиусов Солнца. Физику короны во многом определяют магнитные поля Солнца. Они образуют в короне «дыры» — области с пониженной температурой. Из дыр в короне с огромной скоростью истекает солнечный ветер — потоки заряженных частиц.
Когда-то, на заре своего рождения, Солнце было гораздо более неспокойным, чем сейчас, и существует точка зрения, согласно которой солнечный ветер был очень и очень интенсивным. Сейчас, в период своей зрелости, наше светило успокоилось, но все равно солнечный ветер и сегодня приносит нам уникальные научные данные, например о химическом составе Солнца. Ведь солнечный ветер облучает, скажем, поверхность Луны в течение миллиардов лет. Атомы самых различных элементов, из которых состоит солнечный ветер, а значит, и само Солнце, «вколачиваются» при столкновении в лунный грунт. Поэтому частички лунного грунта «помнят» химическую историю Солнца.
Когда американские космонавты высадились впервые на Луну, они оставили там на время кусочки золотой фольги. Солнечный ветер облучал фольгу, частицы Солнца внедрялись в нее, и потом, когда фольга была доставлена на Землю, ученые сравнили химический состав сегодняшнего солнечного ветра и того, который дул миллиарды лет назад…
Итак, мы получили некоторое представление о том что представляет собой наше Солнце сегодня. Картина, согласитесь, совсем не простая. Загадок и нерешенных вопросов немало: пятна, вспышки, одиннадцатилетний цикл, воздействие на наше здоровье магнитных полей Солнца. Все это «горячие точки» в нынешней физике нашей звезды. И конечно, о Солнце известно далеко не все, но не будь Солнца, физики могли бы лишь строить догадки о процессах, протекающих в других звездах, удаленных от него на огромные расстояния. Нужно отдавать себе отчет в том, что именно изучение Солнца помогло науке разобраться в строении миллиардов солнц нашей Галактики и Вселенной.
Наш рассказ о биографии Солнца был бы неполным и незаконченным, если бы мы с вами не попытались заглянуть в будущее и посмотреть, что же произойдет с нашей звездой в дальнейшем. Давайте попытаемся предсказать судьбу нашей звезды. Состояние современной астрофизики вполне позволяет делать столь смелые шаги.
А что в будущем?
Итак, в течение примерно пяти миллиардов лет живет наше Солнце. А сколько же ему еще осталось? Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?
Здесь нам с вами придется оперировать уже законами и понятиями посложнее, чем закон Клайперона, описывающий поведение идеального газа.
Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихонечку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца водород постепенно превращается в гелий. Гелий — нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света — фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.
Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается. Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому успевает выходить из него наружу. Температура ядра остается практически постоянной.
И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра с этим газом начинают происходить поразительные вещи.
Я хочу только напомнить читателю, что, объясняя сейчас очень сложные процессы, которые будут происходить в центре Солнца с наступлением его старости, мне приходится сильно упрощать картину. И если до этого все можно было понять, пользуясь известными из школьного курса физики закономерностями, то сейчас в недрах Солнца поведение вещества описывается уже законами квантовой механики.
Почему? Ведь, казалось бы, квантовая механика описывает поведение частиц в микромире. Да, это так, но из-за роста плотности ядра (оно все время сжимается) газ начинает менять свой характер. Плотности уже заведомо превышают величину один килограмм в кубическом сантиметре. Состояние вещества при таких плотностях да еще и при температуре выше десяти миллионов градусов называют вырожденным. Но все-таки почему же квантовая механика?
