Часть четвертаяСолнечная система
15. Притягательная сила массыЕсли бы Солнце состояло из бананового пюре, конечный продукт был бы тем же
Солнце – это раскаленная каменная глыба размером с Пелопоннес.
Если бы Солнце состояло из бананового пюре, на его светимость это никак не повлияло бы. Почти никак. Главное – не из чего конкретно состоит Солнце, а почему у него высокая температура. Последнее обстоятельство объясняется очень простой причиной: Солнце – очень массивное тело. Солнечное ядро сжимается под действием вещества, которое давит на него сверху. А если сильно сжимать что бы то ни было, температура сжимаемого тела повышается. Это хорошо знает каждый велосипедист, который накачивал шины насосом. Температура в центре Солнца составляет порядка 15 миллионов градусов. При такой температуре отдельных молекул и атомов уже не существует, вещество находится в неупорядоченном, безликом состоянии, которое называется плазмой. Не важно, какова могла быть структура первоначального вещества – конечное состояние всегда одно и то же.
Солнце содержит примерно миллиард миллиардов миллиардов тонн газа, который преимущественно состоит из водорода.
Но если вы соберете вместе миллиард миллиардов миллиардов тонн микроволновых печей, вы получите тело, такое же горячее, как Солнце. Можно поменять микроволновки на бананы – результат будет тем же самым. Температура Солнца определяется в основном количеством, а вовсе не типом содержащегося в нем вещества.
Мы поняли, почему Солнце в данный момент горячее. Но этого недостаточно, надо еще понять, почему оно остается горячим. Ведь Солнце постоянно теряет свое тепло, которое рассеивается в окружающем космическом пространстве, однако его температура значительно не меняется. Что-то нам подсказывает, что это тепло постоянно возобновляется с такой же скоростью, как и теряется.
В XIX веке, в эпоху паровых двигателей, было естественно думать, что Солнце – это большая глыба угля. Конечно, это должна была быть о-о-очень большая глыба угля. Проблема заключалась в том, что, согласно расчетам британского физика лорда Кельвина, угольное Солнце сгорело бы полностью за 5000 лет. Этого было слишком мало даже для ирландского архиепископа Джеймса Ашшера, который на основании детального анализа Библии рассчитал точную дату сотворения Земли (и вместе с ней Солнца): 23 октября 4004 года до Рождества Христова, 9 часов утра. И конечно же этот срок совсем не удовлетворял геологов и биологов.
Ископаемые останки морских существ, найденные геологами на вершинах некоторых гор, свидетельствовали о том, что когда-то эти горы находились ниже уровня моря. Поскольку никто не может похвастаться тем, что видел, как образовалась гора за время его жизни, вполне естественно было предположить, что гора вырастает «в полный рост» за десятки миллионов лет. Более того, биологам требовались еще более длительные промежутки времени. Наблюдения Чарльза Дарвина неопровержимо доказывали, что сегодняшнее изобилие живых существ выросло из простейшего общего предка в результате процесса естественного отбора. Поскольку никто никогда не видел, как один вид превращается в другой на протяжении жизни одного поколения, было ясно, что мучительно медленный процесс естественного отбора по Дарвину требует сотен миллионов, если не миллиардов лет.
Метод радиоактивного датирования (определения возраста с помощью изотопов) метеоритов – осколков «строительного мусора», оставшихся после образования Солнечной системы – показал, что возраст Земли и Солнца составляет 4550 миллионов лет. Другими словами, Солнце существует примерно в миллион раз дольше, чем это было бы возможно, если бы оно было куском угля. Иначе говоря, какой бы источник ни подпитывал Солнце энергией, мощность его в миллион раз превышает горение угля. И в начале XX века такой источник был обнаружен: ядерная энергия.
На Солнце происходит реакция термоядерного синтеза, в которой ядра атома водорода, легчайшего из всех атомов, превращаются в ядра более тяжелого атома – атома гелия, следующего сразу за водородом в таблице Менделеева. Разница в массах между исходным и конечным продуктами этой реакции высвечивается в виде энергии солнечного света в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc². В результате этого процесса масса Солнца каждую секунду уменьшается на величину, эквивалентную массе одного миллиона слонов (при взрыве самой большой водородной бомбы произошло превращение всего одного килограмма массы в энергию, которая выделилась преимущественно в виде тепла).
Ядерные реакции, порождающие солнечное излучение, чрезвычайно чувствительны к температуре внутри Солнца – их течение замедляется при охлаждении и ускоряется, если температура начинает повышаться. Но, если образуется слишком много тепла, газ на Солнце, как и любой нагреваемый газ, расширяется и охлаждается, подавляя ядерные реакции; если тепла образуется слишком мало, газ сжимается и нагревается, увеличивая скорость ядерных реакций.
Продолжительность первого этапа в протон-протонном цикле ядерных реакций, при котором водород на Солнце превращается в гелий, порождая солнечный свет, – примерно 10 миллиардов лет.
Таким образом, на Солнце работает встроенный «термостат». Он действует таким образом, что ядерные реакции, происходящие на Солнце, поддерживают его температуру на уровне, определяемом только массой Солнца. То есть температура Солнца совершенно не зависит от состава вещества, послужившего источником его энергии (вот почему Солнце имело бы ту же температуру в центральных слоях, будь оно сделано, к примеру, из бананового пюре).
На первом этапе два атома водорода в центре Солнца должны столкнуться и соединиться друг с другом, образовав ядро атома гелия. В среднем этот процесс занимает около 10 миллиардов лет, то есть Солнце должно светить как минимум в течение этого времени. В настоящий момент Солнце преодолело примерно половину своего жизненного пути. Эта ядерная реакция на Солнце относится к числу наименее эффективных ядерных реакций. Давайте мысленно уменьшим солнечное ядро до размеров нашего желудка. Энергоэффективность работы желудка окажется выше! Возникает вопрос – почему же Солнце остается таким горячим? Ответ заключается в том, что Солнце состоит не из одной глыбы вещества, а из бесчисленных квадриллионов кусков материи – можно в воображении нарисовать их хотя бы имеющими размер и форму вашего желудка, – которые сложены в одну кучу.
В следующий раз, когда вы выйдете в летний солнечный день на улицу и почувствуете, как теплые солнечные лучи коснутся вашей кожи, поблагодарите Солнце за то, что оно пользуется такими неэффективными ядерными реакциями. Их медлительность послужила гарантией того, что Солнце просуществовало миллиарды лет, в течение которых смогла возникнуть и получить развитие такая сложная форма жизни, как вы, мой читатель.
16. Солнечный убийцаЗемля как электрический стул: может ли нас убить током от солнечной вспышки?
Если будет солнечная вспышка или ядерная война, тысяча банок маринованной репы вас все равно не спасут.
Полтора столетия назад на Солнце произошло событие, последствия которого несколько дней наблюдали на Земле. Выходил из строя телеграф, линии передач искрили. На низких широтах появилось малиновое зарево полярного сияния, такое яркое, что в полночь при его свете можно было спокойно читать газету[59]. Это событие было названо по имени астронома-любителя Ричарда Каррингтона, который наблюдал вспышку на Солнце в своей обсерватории к югу от Лондона в то же самое время, когда бешено задергалась стрелка магнитометра в лондонской обсерватории Кью. Это событие заставило нас пересмотреть наши представления о Солнце[60]. До 1 сентября 1859 года считалось, что ближайшая к нам звезда оказывает на Землю влияние только благодаря своей гравитации и, конечно же, согревающему воздействию солнечного света. После этого рубежа люди поняли, что яростные катаклизмы на поверхности Солнца – фотосфере – могут вызвать такие магнитные бури, которые по своим разрушительным последствиям можно сравнить, пожалуй, с обстрелом реактивными снарядами.
В 20-х годах XX века британский астроном Артур Эддингтон предположил, что Солнце является гигантским газовым шаром, и на этом основании рассчитал внутреннее строение Солнца. Температура в центре Солнца, согласно расчетам, должна была быть более 10 миллионов градусов. Основная идея заключалась в том, что, поскольку Солнце не расширяется и не сжимается, каждая точка его объема должна находиться в состоянии идеального равновесия. В этом состоянии гидростатического равновесия сила тяжести, действующая на солнечное вещество по направлению к центру, должна быть полностью уравновешена силой давления горячего газа, выталкивающего вещество наружу. Теперь мы знаем, что Солнце вырабатывает энергию в термоядерных реакциях преобразования водорода в гелий, побочным продуктом которых и является солнечный свет. Но Эддингтон не нуждался в этом знании – его рассуждения не зависели от природы источника солнечной энергии. Как было сказано в предыдущей главе, температура в центре Солнца зависит в основном от его массы и была бы одной и той же, составь мы Солнце из бананов, ржавых велосипедов или неисправных телевизоров.
Модель Эддингтона представляла Солнце в виде предсказуемого и довольно однообразного шара из горячего газа. Однако тот факт, что у него есть магнитное поле, полностью меняет эту картину. С магнитным полем наша ближайшая звезда становится непредсказуемой, бурлящей, взрывоопасной, бесконечно удивительной лабораторией экстремальной физики.