Солнце – переменная звезда?

Солнце светит, Солнце греет… Оно светит и греет вот уже миллиарды лет, излучая ежесекундно около 4*10³³ эрг — чудовищную энергию, эквивалентную полной энергии, содержащейся в двух миллионах тонн вещества (по формуле Е = mc²). Однако, если зачерпнуть наперсток солнечной плазмы и, не расплескав, доставить ее на Землю и внести в темную комнату, то мы увидим не испепеляющее сияние, а лишь не очень сильный свет, может, чуть поярче, чем от лампочки карманного фонарика. Ведь один грамм солнечного вещества дает довольно скромную мощность — около двух ватт.

Со школьной скамьи я был убежден в том, что атомы существуют. Но когда увидел циклотрон — многотонную махину в зале с пятиэтажный дом, пожирающую во время работы тысячу киловатт электрической мощности, и услышал, что с помощью этого гиганта получают в сутки всего один атом 105-го элемента, то поймал себя на дикой мысли: а существуют ли на самом деле эти атомы-то?

Примерно такое же еретическое чувство я испытал и в Крымской астрофизической обсерватории — там, где, в частности, изучают и Солнце. Начать с того, что сама обсерватория выглядит, как марсианское поселение. Немыслимо ухоженные ленточки дорожек, вьющихся по крымским холмам; в конце каждой дорожки — купол, сверкающий алюминием. Повсюду странные фонари — не обычные парковые лампионы, а низенькие грибочки, сверху прикрытые козырьками, чтобы свет не мешал наблюдениям звездного неба.

А вот и башенный солнечный телескоп, распахнувший на восток забрало купола. Подходишь к нему и думаешь: верующий тут непременно бы перекрестился. Ну, чистый храм!

Но на вершине башни — не колокола, а зеркала, именуемые колокольным словом целостат; зеркала эти ловят Солнце и, ведомые моторами под руководством чуткого фотоэлемента, посылают его лучи всегда строго вниз, на двадцатитрехметровую глубину, к зеркалу, фокусирующему изображение ближайшей к нам звезды в не очень яркий полуметровый диск, на котором, подобно соринкам, разбросаны пятна.

Здесь Солнце совсем ручное — прямо- таки ненастоящее, ошеломляюще прозаичное. Всего лишь круглое световое пятно, даже не слепящий солнечный зайчик. Неужто на самом деле это шар диаметром в полтора миллиона километров, раскаленный до шести тысяч градусов?
Здесь Солнце — объект исследования. Ведь башенный телескоп открывает увлекательнейшую возможность вплотную приблизиться к Солнцу, оставаясь на Земле. А чем ближе объект исследования, тем больше от него можно получить информации к размышлению.

Еще в тридцатых годах прошлого ХХ века А. Б. Северный (академик, бывший директор Крымской астрофизической обсерватории) заинтересовался цефеидами — звездами, меняющими свой блеск каждые один — три часа. Он предположил, что эти колебания яркости отражают периодические процессы, протекающие в небесных телах, то есть что цефеиды пульсируют, ритмично сжимаются и расширяются. Была выведена и зависимость между периодом колебаний звезды и ее возможной внутренней структурой. А именно этот период должен определяться не только размерами и массой, но и распределением плотности по объему: чем звезда неоднороднее, тем меньшим станет период пульсаций.

Но проверить, действительно ли пульсируют цефеиды, невозможно — слишком уж они далеки. Так далеки, что остаются точками даже при самом большом увеличении. А мысль о том, что и Солнце может вести себя подобно переменной звезде, не то чтобы казалась дикой — она вообще никому не приходила в голову.

Ситуация, однако, изменилась в 1973 году, когда в Крымской обсерватории появилась реальная возможность подвергнуть Солнце тщательному прослушиванию — солнечный телескоп был капитально усовершенствован, его башня достигла нынешней высоты, поднявшись выше прежнего на целый десяток метров. Ведь чем больший путь проходит свет в телескопе, тем больше разрешающая сила прибора.

Задача заключалась в том, чтобы с максимально возможной точностью измерить скорость движения поверхности Солнца относительно центра светила. Всегда ли поверхность неподвижна? Или же она периодически вздымается и опадает?

Но как можно измерить скорость движения бушующей солнечной поверхности, находясь от нее на расстоянии 150 миллионов километров? Да еще если скорость эта, по всей видимости, очень скромна, порядка нескольких метров в секунду?

Только с помощью света, который эта поверхность испускает. Ведь если источник электромагнитных волн удаляется от наблюдателя, то спектральные линии сдвигаются в красную сторону, а если приближается, то в синюю,— это так называемый эффект Доплера. (На этом эффекте, в частности, основана работа приборов, с помощью которых полицейские определяют скорость автомобилей.) Естественно, если источник света неподвижен относительно наблюдателя, спектральные линии остаются на месте. Поэтому если солнечная поверхность действительно колышется, то линии солнечного спектра должны периодически смещаться то в красную, то в синюю область.

Конечно, задумать эксперимент часто бывает проще, чем его осуществить. В самом деле, что бы вы сказали о том же полицейском, если с помощью своего прибора он пытался бы измерить скорость движения улитки?

Тут читатель вправе спросить: а зачем ученым нужно ломать голову над тем, как измерять то, что очень трудно измерить?

Начнем издалека. Одна из главных загадок, заданных человеку звездами, касается источника их неисчерпаемой энергии. Какие только возможности не перебрали ученые с тех пор, как задумались над этим вопросом! Первой была мысль, что Солнце и звезды просто горят, как дрова в печке. Не вышло! Слишком мал запас химической энергии, его не хватило бы и на миллион лет. Затем подумали об энергии, выделяющейся при гравитационном сжатии небесных тел. Получилось получше, но концы все равно не сходились с концами: и в этом случае Солнце не могло бы светить положенные миллиарды лет. Только когда стали известны термоядерные процессы, возникла более правдоподобная версия: в недрах Солнца протекает слияние двух ядер водорода в ядро гелия, в ходе которого выделяется действительно огромная энергия. Благо, водорода на Солнце и звездах пока что предостаточно, его хватит еще очень и очень надолго.

Но сейчас и эта общепринятая (хотя и не доказанная) гипотеза пошатнулась. Во-первых, в ходе термоядерного синтеза обязаны возникать нейтрино, а недавние эксперименты показали достаточно определенно, что истинная плотность потока этих частиц много меньше предсказанной теорией. Во-вторых, сейчас в космосе обнаружены объекты, излучающие столько энергии, что ее не может дать и термоядерный синтез: это невообразимо далекие квазары, а также галактические ядра.

Аннигиляция вещества с антивеществом — процесс, в ходе которого может выделиться нужная энергия. Но вот беда, вещества во Вселенной сколько угодно, а антивещества в достаточных количествах обнаружить никак не удается. Может быть, природа знает какой-то способ, позволяющий добывать энергию массы покоя как минуя термоядерные реакции, так и без помощи антивещества?

Вообще говоря, такой способ мыслим, но для его реализации нужна так называемая черная дыра — тело с грандиозной концентрацией массы, останавливающей само время. Теоретически черная дыра, как бездонный пылесос, способна втягивать в себя все приближающееся к ней вещество, выделяя взамен него эквивалентное количество энергии. Так, может быть, внутри Солнца и звезд как раз и находятся черные дыры? Увы, но вопрос того, существуют ли они внутри звезд — пока еще загадка.

Но вернемся к нашей главной звезде — Солнцу. Нельзя ли как-нибудь все же заглянуть в его недра, обойдясь без всепроникающих, но, увы, не обнаруженных солнечных нейтрино?

На первый взгляд, задача может показаться неразрешимой. Тем не менее, путь к ее решению способно дать все то же бледное отражение Солнца на дне трубы башенного телескопа.

Тут необходимо сделать небольшое отступление. Познавая сущность вещей, ученый крайне редко входит с этой сущностью в прямое соприкосновение. Скажем, структуру молекул удается определять, изучая химические и физические свойства вещества; сведения о строении земных недр поставляют сейсмические волны; о работе сердца можно судить по издаваемым им шумам. Иначе говоря, исследовательская работа обычно строится так: сначала создается теоретическая модель изучаемого объекта, из этой модели выводятся ее свойства, которые можно наблюдать опытным путем, а затем результаты реального эксперимента сопоставляются с гипотетическими. Коль скоро результаты совпадают с теорией — модель идентична объекту, и, значит, мы как бы заглянули в недоступную прямому наблюдению сердцевину явления. А если совпадения нет, тут уж не взыщите — модель придется отбросить как ошибочную и придумывать взамен нее новую.

Так какую модель Солнца, доступную экспериментальной проверке, можно создать? Если верно предположение, что источником энергии звезд служит термоядерный синтез, то в звездных недрах должны поддерживаться условия, при которых может протекать реакция слияния ядер водорода — давление в миллионы атмосфер, температура в сотни миллионов градусов. Но поверхность Солнца имеет не очень высокую температуру, и средняя плотность его вещества невелика. Из этого следует неизбежный вывод: если Солнце действительно питается термоядом, оно должно быть неоднородным, состоять из плотного чрезвычайно горячего ядра и рыхлой сравнительно холодной оболочки, которая как раз и представляется нашему взору.

Какими особенностями должен обладать такой неоднородный шар? Если вы когда-либо покупали стеклянную или фарфоровую посуду, то должны были обратить внимание на то, как, прежде чем завернуть покупку, продавщица постукивает карандашиком по краям стаканов, чашек и тарелок, извлекая мелодичный разноголосый звон. Но вот одна чашка отозвалась на удар коротко и глухо. Все ясно — это брак, в посуде есть либо незаметная трещина, либо другой невидимый изъян.

Солнце, как и чашка, как и любое материальное тело каких бы то ни было размеров, должно иметь определенный период собственных колебаний, зависящий от его внутренней структуры. И этот период удалось рассчитать. Нет ядра — поверхность Солнца должна вздыматься и опадать каждые 10 минут; есть ядро — ритм солнечных пульсаций должен быть тем более частым, чем это ядро плотнее.

Вот для чего нужно было измерять скорость движения солнечной поверхности чтобы сделать выбор между двумя звездными моделями.

Теперь пора назвать имена ученых, осуществивших эксперимент, задуманный академиком А. Б. Северным. Это кандидаты физико-математических наук В. А. Котов и Т. Т. Цап. Суть эксперимента заключается в следующем. На пути солнечного луча установлена система, пропускающая в спектрограф свет, исходящий то от центра солнечного диска, то от его краев. Свет, приходящий от центра диска, излучается той частью поверхности Солнца, которая, то приближается к наблюдателю, то от него удаляется; края же диска движутся в перпендикулярном направлении. Когда в спектрограф попадает свет из колеблющегося «яблочка», спектральные линии оказываются сдвинутыми вследствие эффекта Доплера; когда же в спектрограф попадает свет от кольца, линии занимают нормальное положение, так как эффект Доплера в этом случае не проявляется. (Вспомним прибор работника полиции: он дает показания лишь в том случае, если автомобиль идет по прямому шоссе; но тот же прибор покажет нулевую скорость, если автомобиль будет нестись по кругу вокруг инспектора, как лошадь в цирке.)

Подобный метод измерений называется дифференциальным, так как позволяет избавиться от возможного влияния изменений расстояния от Земли до Солнца, а также всех прочих мыслимых помех: в точном соответствии со значением слова «дифференциация» (происходящего от латинских слов «разность, различие») он дает нам результат, представляющий собой разность двух величин — измеряемой и эталонной.

Естественно, в действительности установка достаточно сложна. И главная трудность заключается в том, что, несмотря на все возможные ухищрения, предельная точность измерения скорости солнечной поверхности не превышает ±1 м/сек, а сама измеряемая величина может иметь тот же порядок. Иначе говоря, вопрос ставится так: можно ли достаточно точно измерить отрезок длиной, скажем, в 1 метр 83 сантиметра с помощью линейки длиной в 1 метр, но не имеющей сантиметровых делений?

Разумеется, это можно сделать приблизительно, разделив метр на деления на глаз. Конечно, ошибка такого измерения будет, скорее всего, очень велика; более того, даже если мы случайно получим точный результат, за его достоверность никак нельзя ручаться. Но тогда поступим следующим образом: призовем в эксперты всех прохожих и будем записывать называемые ими цифры, а затем вычислим средний результат. Чем больше человек будет принимать участие в эксперименте, тем точнее среднее значение будет соответствовать истинному и тем меньше будет ошибка.

Точно так же поступают и при измерении солнечных пульсаций. Измерения ведутся непрерывно, пока светит Солнце. И хотя ошибка одиночного отсчета велика, при накоплении результатов точность среднего значения постепенно повышается. Многие тысячи измерений позволили, в конце концов, установить, что Солнце действительно сжимается и расширяется с периодом 160 минут со скоростью около двух метров в секунду и у него скорее всего, нет плотного ядра.

Первые результаты, позволившие сделать такое заключение, были получены в 1974 году. Но работа с тех пор не прекращается. Почему? Да потому, что в науке важные заключения необходимо делать с величайшей осторожностью, а вывод о пульсациях Солнца, как мы видели, чреват далеко идущими последствиями.

Речь идет о том, чтобы объявить о существовании в природе принципиально нового источника энергии: ведь если у звезды нет ядра, нет в ней и места термоядерным процессам.

Но что наука может предложить взамен термояда, если не считать весьма сомнительных черных дыр? А ничего. И самое удивительное, ученых это пока не очень волнует. Так уж у них принято: выдвигать новые гипотезы лишь в том случае, если без них совершенно невозможно обойтись. В данном случае это означает, что буря предположений о природе солнечной энергии начнется лишь после того, как будет совершенно бесспорно доказана однородность недр нашего светила.

Было проверено, не может ли влиять на результаты измерений солнечных пульсаций состояние земной атмосферы; оказалось, что оно тут ни при чем. Было обнаружено, что колебания с периодом 160 минут испытывает и тепловое излучение Солнца — температура светила периодически изменяется на один градус. Наконец, было найдено, что блеск планеты Уран тоже меняется с периодом 160 минут (а Уран ведь, как все планеты, светится постольку, поскольку отражает солнечные лучи),— иначе говоря, Солнце ведет себя подобно переменной звезде, подобно далеким цефеидам.

Итак, мы живем на планете переменной звезды. Ну, а не связаны ли с солнечными пульсациями процессы, протекающие в земной магнитосфере? Как зависят пульсации от вращения самого Солнца? Насколько они стабильны? Действительно ли Солнце расширяется и сжимается или же имеют место некие более сложные колебания, которые могли бы возникнуть и в светиле с плотным ядром? Это вопросы, на которые должны ответить будущие наблюдения.

Автор: Е. Воробей.