Когда долго качаешь автомобильный насос, он заметно нагревается. Удивительно ли после этого, что температура в центре Солнца измеряется 15 миллионами градусов?
Заметим, что и эта величина может быть получена в результате несложных расчетов. Куда труднее разгадать, какие процессы совершаются в глубинах Солнца, в его центральных областях. Совсем не прост вопрос, почему светит Солнце.
Давно уже признано, что ни механическая энергия (сжатие Солнца), ни обычные химические реакции (скажем, горение) не могут обеспечить чрезвычайно длительной жизни Солнца (по меньшей мере миллиарды лет!).
Единственный возможный источник солнечной энергии — ядерные реакции. Скорее всего, в недрах Солнца осуществляется так называемый протон-протонный цикл, в итоге которого водород медленно «перегорает» в гелий. Протон-протонный цикл можно представить себе так:
Этап первый: два протона (обозначим их Я1 и Я1), взаимодействуя, превращаются в ядро дейтерия D2 — изотоп водорода. При этом образуется также позитрон («положительпый электрон») |3+ и знаменитое нейтрино v — частица неуловимо малой массы, лишенная электрического заряда.
Всю эту цепочку превращений можно записать так:
Н1 + Н1 — > D2 + β+ + ν.
Этап второй: дейтерий, реагируя, или, точнее, как бы «сливаясь», с новым протоном, образуют изотоп гелия Не3 и гамма-квант γ, то есть элементарно малую порцию электромагнитного излучения. Символически запишем:
D2 + Н1 — > Не3 + γ
И, наконец, этап третий, окончательный. Два ядра изотопа гелия 2Не3 превращаются в ядро обычного гелия Не4 и два новых протона 2Н1. Вот соответствующая запись:
2Не3 — > Не4 + 2Н1.
Кому показались сложными все эти рассуждения и формулы, пусть обратит внимание на главное, самое существенное. Исходным материалом в протон-протонном цикле служит водород или, точнее, протоны — ядра атомов водорода. Все начинается со «слияния» двух протонов — отсюда и название цикла. Конечный же новый продукт — ядра атомов гелия. Итак, в ходе непрерывно действующих ядерных реакций водород в недрах Солнца преобразуется в гелий.
Ядерные реакции в недрах Солнца.
Остается уточнить одну важную деталь. В недрах Солнца, в условиях почти непредставимых давлений и температур атомы водорода лишены электронных оболочек.
Электроны, покинувшие свои атомы, и ядра атомов водорода и гелия (то есть протоны и альфа-частицы) — все это сплошь перемешано и образует электрически нейтральную смесь— солнечную плазму. Толчея и неразбериха там полная. Но это только с первого взгляда. А если приглядеться (конечно, глазом теоретика), увидишь постоянно совершающийся, направленный в одну сторону процесс — превращение протонов в альфа-частицы, то есть ядра атомов гелия.
Вот теперь можно пояснить, почему светит Солнце.
Напомним азы ядерной физики.
Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Такое ядро в недрах Солнца может возникнуть из четырех протонов, причем два из них превратятся в нейтроны.
Но вот что важно. Возникшее в этом процессе ядро гелия, или альфа-частица, несколько легче, чем взятые вместе четыре протона — те самые, которые ее породили. Куда же делась остальная масса вещества? Оказывается, она превратилась в свет, в излучение, то есть в иную форму материи. Именно так и создается электромагнитное излучение Солнца — источник жизни на нашей Земле.
«Дефект массы», то есть избыток массы вещества, превратившийся в излучение, для каждой возникшей альфа-частицы, конечно, ничтожно мал. Но, во-первых, таких частиц неимоверно много, и, во-вторых, превращение вещества в излучение подчиняется знаменитой формуле Эйнштейна
Е = mс2.
Здесь m означает массу вещества, переходящего в излучение, с — скорость света (300 000 км/сек), Е — энергия возникшего излучения. Пусть те, кто не боится расчетов, вычислят, сколько энергии в эргах выделится при превращении в излучение 1 г вещества. Очевидно,
Е = 1021 эрг.
Не правда ли, это выглядит солидно? А ведь Солнце ежесекундно превращает в излучение четыре миллиона тонн своего вещества. Такой «груз» удалось бы разместить лишь в четырех тысячах поездов, по пятьдесят вагонов в каждом. И так — ежесекундно! Значит, пока вы дочитаете эту страницу, Солнце «похудеет» на сотни миллионов тонн!
Не пугайтесь! Запасы вещества в Солнце очень велики — Солнце весит примерно 2 * 1027 г. Так что при всей своей расточительности жизнь Солнца как самосветящегося тела обеспечена еще на многие, многие миллиарды лет.
Не подумайте, что, появившись в недрах Солнца, квант, эта элементарно малая порция излучения, быстро доберется до солнечной поверхности и отправится затем в странствие по Вселенной. Судьба возникшего кванта гораздо причудливее. Он по извилистым путям пробивается сквозь ядерную толчею к поверхности Солнца. Продираясь сквозь густую толпу, человек постепенно теряет силы. Так и солнечный квант — возникший очень энергичным гамма-квантом, не воспринимаемым человеческим глазом, он, странствуя тысячи лет внутри Солнца, в конце концов добирается до его поверхности сильно «измотанным», расточившим былую энергию, квантом видимого света. Иначе говоря, если недра Солyца создают невидимые, очень энергичные лучи, то солнечная поверхность воспринимается нами как самое яркое, что есть на небе.
Вот, в сущности, главные секреты Солнца. Остальное — детали. Пусть очень сложные для нас, но не меняющие общего представления о Солнце как принципиально весьма простом тепловом механизме, за счет своей массы непрерывно вырабатывающем энергию в течение миллиардов лет.
Если Солнце — газовый шар, почему его края так четки? Почему даже в очень большие телескопы Солнце выглядит диском с резко очерченным краем? Казалось бы, газовый шар должен иметь иной облик — туманная масса с размытыми, постепенно сходящими на нет краями?
Причина этого парадокса (необычного на первый взгляд явления) в том, что в солнечной массе есть сравнительно тонкий непрозрачный слой, отделяющий недра Солнца от его обширной разреженной и вполне прозрачной атмосферы. Толщина этого слоя 100–300 км, и так как именно он, этот слой, излучает мощнейшие потоки света, его называют фотосферой (буквально — светящейся оболочкой).
Фотосфера — видимая, несколько условная поверхность Солнца. Яркость ее настолько велика, что при наблюдении фотосферы всегда приходится прибегать к темным фильтрам, умеряющим солнечный свет. Но когда этим способом или с помощью экрана получают доступное глазу изображение Солнца, сразу бросается в глаза характерная деталь: к краям фотосфера темнее, чем в середине солнечного диска. За счет этого эффекта Солнце воспринимается не плоским диском, а объемным сферическим телом.
На рисунке дано объяснение этому «потемнению к краю». Глаз способен «пробиться» на некоторую глубину внутрь фотосферы — ведь она все-таки не абсолютно непрозрачна. Но тогда в центре диска глаз видит более глубокие, а значит, более горячие и яркие слои Солнца, чем на его краях. Отсюда и непосредственное восприятие сферичности Солнца.
В те редкие дни, когда на Солнце вовсе нет пятен, его поверхность даже в небольшие телескопы видна неоднородной, как бы сплошь состоящей из множества мелких зерен — гранул. Особенно хорошо видны гранулы на снимках, сделанных с аэростатов или самолетов, когда помехи земной атмосферы сильно ослаблены.