Почему сверкает Солнце?

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Так получилось, что время между двумя мировыми войнами оказалось временем роста и созревания ядерной физики. Идеи сыпались одна за другой, как из рога изобилия, а если на горизонте начинали маячить какие-нибудь трудности, то тут же удавалось находить новые пути и оставлять эти трудности в стороне. Одна из таких идей позволила ответить на вопрос: откуда берется энергия Солнца?

И вопрос этот вовсе не являлся академическим. Ведь от энергии, излучаемой нашим светилом, зависит весь ход процессов на Земле, в том числе и наша с вами жизнь во всем своем многообразии.

Разрешить эту загадку помогла молодая ядерная физика. Совсем незадолго до этого Эйнштейн предложил свою знаменитую формулу взаимосвязи массы и энергии. К концу двадцатых годов уже были известны достаточно точно массы ядер различных элементов периодической системы. Значения масс недвусмысленно указывали на то, что ядра элементов в середине таблицы Менделеева упакованы плотнее, чём ядра очень легких или очень тяжелых элементов. Значит, если бы одни ядра могли превращаться в ядра других элементов, то при переходах «рыхлых» сверхлегких или сверхтяжелых ядер в более плотные ядра могла бы выделяться энергия.

Так, двум физикам — австрийцу Хоутермансу и англичанину Аткинсону — пришла в голову идея о термоядерных реакциях как источнике энергии нашего Солнца и вообще всех звезд. С этого и начался цикл работ по теории термоядерных реакций внутри звезд. Спустя десятилетие, в 1939 году, известный немецкий физик-теоретик Ганс Бете подвел итог этих работ, изложив их в виде стройной концепции цепочек и циклов термоядерных реакций.

Вообще говоря, звезды бывают разные. Наиболее общим является деление звезд на разные классы по их размерам и светимости. Одни попадают в гиганты, другие в карлики, но большая часть остается где-то между теми и другими. Эти звезды, занимающие промежуточное положение, называют звездами «главной последовательности». Внутри каждой из этих трех больших групп звезды делят еще на различные спектральные классы. Так что среди светил бывают и красные гиганты, и белые карлики, и голубые звезды главной последовательности…

У звезд различных спектральных классов максимум излучения приходится на разные длины волн. Это говорит о том, что ядерные процессы внутри них идут при различной температуре.

Конечно же, нас в первую очередь интересует Солнце. Оно относится к звездам главной последовательности и является «желтой» звездой. На 80 процентов Солнце состоит из водорода, 18,5 процента гелия, остальные 1,5 процента приходятся на долю углерода и других тяжелых элементов. Поэтому на Солнце, как и на других звездах главной последовательности, наиболее важными могут быть либо цепочка так называемой «протонной реакции», либо замкнутая группа реакций, получившая наименование «углеродного цикла».

В ходе «протонной реакции» ядра водорода, протоны, превращаются в ядра гелия (альфа-частицы). В зависимости от температуры это превращение может совершаться различными путями; иначе говоря, реакция идет по трем каналам. Каждый канал имеет свои особенности, но для нас сейчас важен их основной, общий итог: четыре протона превращаются в альфа-частицу с испусканием позитронов, гамма-квантов и — внимание! — двух нейтрино.

На Солнце есть и углерод, поэтому кроме «протонной реакции» может идти еще замкнутая циклическая реакция с участием углерода, который выступает при этом в роли катализатора: способствует протеканию процесса, не убывая и не накапливаясь.

Происходит это следующим образом. Ядро атома углерода С12, захватывая протоны, последовательно превращается в более тяжелые ядра. И, наконец, с захватом четвертого протона уже ядро азота N15 распадается на ядро С12 и ядро Не4. Цикл замыкается, снова возникает исходное ядро изотопа углерода, но в результате четыре протона переходят в альфа-частицу с излучением позитронов, гамма-квантов и, опять же, двух нейтрино. Нетрудно подсчитать, сколько энергий высвобождается при каждом из этих превращений.

При температуре внутри Солнца около 13—15 миллионов градусов (в настоящее время принята именно эта величина) выход энергии в результате «протонной реакции» больше, чем от «углеродного цикла», но в общем-то они близки друг к другу. Однако с ростом температуры выход энергии от «цикла» повышается значительно быстрее, чем от «протонной реакции» (для «цикла» количество энергии пропорционально температуре, возведенной в восемнадцатую степень, а для протонной реакции — «всего лишь» в четвертую). Это означает, что для всех более горячих звезд основное значение имеет именно «углеродный цикл», тогда как в более холодных — «протонная реакция». Таким образом, температура около 16 миллионов градусов является в некотором роде разделительным рубежом. Вот почему чрезвычайно важными являются любые, даже, казалось бы, не очень значительные уточнения в оценке температуры внутри Солнца.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора