Сонце – змінна зірка?

Сонце світить, Сонце гріє… Воно світить і гріє ось вже мільярди років, випромінюючи щомиті близько 4*10³³ Ерг — жахливу енергію, еквівалентну повній енергії, що міститься в двох мільйонах тонн речовини (за формулою Е = mc²). Однак, якщо зачерпнути наперсток сонячної плазми і, не розплескавши, доставити його на Землю і внести в темну кімнату, то ми побачимо не спопеляюче сяйво, а лише не дуже сильне світло, може, трохи яскравіше, ніж від лампочки кишенькового ліхтарика. Адже один грам сонячної речовини дає досить скромну потужність – близько двох ват.

Зі шкільної лави я був переконаний в тому, що атоми існують. Але коли побачив циклотрон – багатотонну махину в залі з п’ятиповерховий будинок, що пожирає під час роботи тисячу кіловат електричної потужності, і почув, що за допомогою цього гіганта отримують на добу всього один атом 105-го елемента, то зловив себе на дикій думці: а чи існують насправді ці атоми?

Приблизно таке ж єретичне почуття я відчув і в Кримській астрофізичній обсерваторії – там, де, зокрема, вивчають і Сонце. Почати з того, що сама обсерваторія виглядає, як марсіанське поселення. Немислимо доглянуті стрічки доріжок, що в’ються по Кримських пагорбах; в кінці кожної доріжки — купол, блискучий алюмінієм. Всюди дивні ліхтарі – не звичайні паркові лампіони, а низенькі грибочки, зверху прикриті козирками, щоб світло не заважало спостереженням зоряного неба.

А ось і баштовий сонячний телескоп, що розкрив на схід забрало купола. Підходиш до нього і думаєш: віруючий тут неодмінно б перехрестився. Ну, чистий храм!

Але на вершині вежі — не дзвони, а дзеркала, іменовані дзвіничним словом цілостат; дзеркала ці ловлять Сонце і, ведені моторами під керівництвом чуйного фотоелемента, посилають його промені завжди строго вниз, на двадцятитрьохметрову глибину, до дзеркала, що фокусує зображення найближчої до нас зірки в не дуже яскравий півметровий диск, на якому, подібно смітинкам, розкидані плями.

Тут Сонце зовсім ручне – прямо-таки несправжнє, приголомшливо прозаїчне. Всього лише кругла світлова пляма, навіть не сліпучий сонячний зайчик. Невже насправді ця куля діаметром в півтора мільйона кілометрів, розпечена до шести тисяч градусів?
Тут Сонце – об’єкт дослідження. Адже баштовий телескоп відкриває захоплюючу можливість впритул наблизитися до Сонця, залишаючись на Землі. А чим ближче об’єкт дослідження, тим більше від нього можна отримати інформації до роздумів.

Ще в тридцятих роках минулого ХХ століття А. Б. Северный (академік, колишній директор Кримської астрофізичної обсерваторії) зацікавився цефеїдами — зірками, що змінюють свій блиск кожні одну — три години. Він припустив, що ці коливання яскравості відображають періодичні процеси, що протікають в небесних тілах, тобто що цефеїди пульсують, ритмічно стискаються і розширюються. Була виведена і залежність між періодом коливань зірки і її можливою внутрішньою структурою. А саме цей період повинен визначатися не тільки розмірами і масою, а й розподілом щільності за обсягом: чим зірка неоднорідніше, тим меншим стане період пульсацій.

Але перевірити, чи дійсно пульсують цефеїди, неможливо – надто вже вони далекі. Такі далекі, що залишаються точками навіть при найбільшому збільшенні. А думка про те, що і Сонце може вести себе подібно змінній зірці, не те щоб здавалася дикою — вона взагалі нікому не приходила в голову.

Ситуація, однак, змінилася в 1973 році, коли в Кримській обсерваторії з’явилася реальна можливість піддати Сонце ретельному прослуховуванню — сонячний телескоп був капітально вдосконалений, його вежа досягла нинішньої висоти, піднявшись вище колишньої на цілий десяток метрів. Адже чим більший шлях проходить світло в телескопі, тим більше роздільна сила приладу.

Завдання полягало в тому, щоб з максимально можливою точністю виміряти швидкість руху поверхні Сонця щодо центру світила. Чи завжди поверхня нерухома? Або ж вона періодично здіймається і опадає?

Але як можна виміряти швидкість руху бурхливої сонячної поверхні, перебуваючи від неї на відстані 150 мільйонів кілометрів? Та ще якщо швидкість ця, по всій видимості, дуже скромна, близько кілька метрів в секунду?

Тільки за допомогою світла, яке ця поверхня випускає. Адже якщо джерело електромагнітних хвиль віддаляється від спостерігача, то спектральні лінії зсуваються в червону сторону, а якщо наближається, то в синю,— це так званий ефект Доплера. (На цьому ефекті, зокрема, заснована робота приладів, за допомогою яких поліцейські визначають швидкість автомобілів.) Природно, якщо джерело світла нерухоме щодо спостерігача, спектральні лінії залишаються на місці. Тому якщо сонячна поверхня дійсно колишеться, то лінії сонячного спектра повинні періодично зміщуватися то в червону, то в синю область.

Звичайно, задумати експеримент часто буває простіше, ніж його здійснити. Справді, що б ви сказали про того ж поліцейського, якщо за допомогою свого приладу він намагався б виміряти швидкість руху равлика?

Тут читач має право запитати: а навіщо вченим потрібно ламати голову над тим, як вимірювати те, що дуже важко виміряти?

Почнемо здалеку. Одна з головних загадок, заданих людині зірками, стосується джерела їх невичерпної енергії. Які тільки можливості не перебрали вчені з тих пір, як задумалися над цим питанням! Першою була думка, що Сонце і зірки просто горять, як дрова в грубці. Не вийшло! Занадто малий запас хімічної енергії, його не вистачило б і на мільйон років. Потім подумали про енергію, що виділяється при гравітаційному стисненні небесних тіл. Вийшло краще, але кінці все одно не сходилися з кінцями: і в цьому випадку Сонце не могло б світити покладені мільярди років. Тільки коли стали відомі термоядерні процеси, виникла більш правдоподібна версія: в надрах Сонця протікає злиття двох ядер водню в ядро гелію, в ході якого виділяється дійсно величезна енергія. Благо, водню на Сонці і зірках поки що предостатньо, його вистачить ще дуже і дуже надовго.

Але зараз і ця загальноприйнята (хоча і не доведена) гіпотеза похитнулася. По-перше, в ході термоядерного синтезу нейтрино виникає, а недавні експерименти показали досить виразно, що справжня щільність потоку цих частинок набагато менше передбаченої теорією. По-друге, зараз в космосі виявлені об’єкти, що випромінюють стільки енергії, що її не може дати і термоядерний синтез: це неймовірно далекі квазари, а також галактичні ядра.

Анігіляція речовини з антиречовиною – процес, в ході якого може виділитися потрібна енергія. Але ось біда, речовини у Всесвіті скільки завгодно, а антиречовини в достатніх кількостях виявити ніяк не вдається. Може бути, природа знає якийсь спосіб, що дозволяє добувати енергію маси спокою як минаючи термоядерні реакції, так і без допомоги антиречовини?

Взагалі кажучи, такий спосіб мислимий, але для його реалізації потрібна так звана чорна діра — тіло з грандіозною концентрацією маси, що зупиняє сам час. Теоретично чорна діра, як бездонний пилосос, здатна втягувати в себе все наближену до неї речовину, виділяючи замість неї еквівалентну кількість енергії. Так, може бути, всередині Сонця і зірок якраз і знаходяться чорні діри? На жаль, але питання того, чи існують вони всередині зірок — поки ще загадка.

Але повернімося до нашої головної зірки – Сонця. Чи не можна як-небудь все ж заглянути в його надра, обійшовшись без всепроникних, але, на жаль, не виявлених сонячних нейтрино?

На перший погляд, завдання може здатися нерозв’язним. Проте, шлях до його вирішення здатний дати все те ж бліде відображення Сонця на дні труби баштового телескопа.

Тут необхідно зробити невеликий відступ. Пізнаючи сутність речей, вчений вкрай рідко входить з цією сутністю в пряме зіткнення. Скажімо, структуру молекул вдається визначати, вивчаючи хімічні і фізичні властивості речовини; відомості про будову земних надр постачають сейсмічні хвилі; про роботу серця можна судити по видаваним їм шумам. Інакше кажучи, дослідницька робота зазвичай будується так: спочатку створюється теоретична модель досліджуваного об’єкта, з цієї моделі виводяться її властивості, які можна спостерігати дослідним шляхом, а потім результати реального експерименту зіставляються з гіпотетичними. Якщо результати збігаються з теорією – модель ідентична об’єкту, і, значить, ми як би заглянули в недоступну прямому спостереженню серцевину явища. А якщо збігу немає, тут вже модель доведеться відкинути як помилкову і придумувати замість неї нову.

Так яку модель Сонця, доступну експериментальній перевірці, можна створити? Якщо вірне припущення, що джерелом енергії зірок служить термоядерний синтез, то в зоряних надрах повинні підтримуватися умови, при яких може протікати реакція злиття ядер водню — тиск в мільйони атмосфер, температура в сотні мільйонів градусів. Але поверхня Сонця має не дуже високу температуру, і середня щільність його речовини невелика. З цього випливає неминучий висновок: якщо Сонце дійсно харчується термоядом, воно повинно бути неоднорідним, складатися з щільного надзвичайно гарячого ядра і пухкої порівняно холодної оболонки, яка якраз і представляється нашому погляду.

Якими особливостями повинна володіти така неоднорідна куля? Якщо ви коли-небудь купували скляний або фарфоровий посуд, то повинні були звернути увагу на те, як, перш ніж загорнути покупку, продавщиця постукує олівчиком по краях склянок, чашок і тарілок, витягуючи мелодійний різноголосий дзвін. Але ось одна чашка відгукнулася на удар коротко і глухо. Все ясно – це брак, в посуді є або непомітна тріщина, або інша невидима вада.

Сонце, як і будь-яке матеріальне тіло яких би то не було розмірів, повинно мати певний період власних коливань, що залежить від його внутрішньої структури. І цей період вдалося розрахувати. Немає ядра – поверхня Сонця повинна підніматися і опадати кожні 10 хвилин; є ядро — ритм сонячних пульсацій повинен бути тим частішим, чим це ядро щільніше.

Ось для чого потрібно було вимірювати швидкість руху сонячної поверхні щоб зробити вибір між двома зоряними моделями.

Тепер пора назвати імена вчених, які здійснили експеримент, задуманий академіком А. Б. Северним. Це кандидати фізико-математичних наук В.А. Котов і Т. Т. Цап. Суть експерименту полягає в наступному. На шляху сонячного променя встановлена система, що пропускає в спектрограф світло, що виходить то від центру сонячного диска, то від його країв. Світло, що приходить від центру диска, випромінюється тією частиною поверхні Сонця, яка, то наближається до спостерігача, то від нього віддаляється; краї ж диска рухаються в перпендикулярному напрямку. Коли в спектрограф потрапляє світло з коливного «яблучка», спектральні лінії виявляються зрушеними внаслідок ефекту Доплера; коли ж в спектрограф потрапляє світло від кільця, лінії займають нормальне положення, так як ефект Доплера в цьому випадку не проявляється. (Згадаймо прилад працівника поліції: він дає свідчення лише в тому випадку, якщо автомобіль йде по прямому шосе; але той же прилад покаже нульову швидкість, якщо автомобіль буде нестися по колу навколо інспектора, як кінь в цирку.)

Подібний метод вимірювань називається диференціальним, так як дозволяє позбутися від можливого впливу змін відстані від Землі до Сонця, а також всіх інших мислимих перешкод: в точній відповідності зі значенням слова «диференціація» (що походить від латинських слів «різниця, відмінність») він дає нам результат, що представляє собою різницю двох величин — вимірюваної і еталонної.

Природно, в дійсності установка досить складна. І головна складність полягає в тому, що, незважаючи на всі можливі хитрощі, гранична точність вимірювання швидкості сонячної поверхні не перевищує ±1 м/сек, а сама вимірювана величина може мати той же порядок. Інакше кажучи, питання ставиться так: чи можна досить точно виміряти відрізок довжиною, скажімо, в 1 метр 83 сантиметри за допомогою лінійки довжиною в 1 метр, але такою, що не має сантиметрових поділок?

Зрозуміло, це можна зробити приблизно, розділивши метр на ділення на око. Звичайно, помилка такого вимірювання буде, швидше за все, дуже велика; більш того, навіть якщо ми випадково отримаємо точний результат, за його достовірність ніяк не можна бути впевненим. Але тоді поступимо наступним чином: покличемо в експерти всіх перехожих і будемо записувати названі ними цифри, а потім обчислимо середній результат. Чим більше людей буде брати участь в експерименті, тим точніше середнє значення буде відповідати істинному і тим менше буде помилка.

Точно так само чинять і при вимірюванні сонячних пульсацій. Вимірювання ведуться безперервно, поки світить Сонце. І хоча помилка одиночного відліку велика, при накопиченні результатів точність середнього значення поступово підвищується. Багато тисяч вимірювань дозволили, врешті-решт, встановити, що Сонце дійсно стискається і розширюється з періодом 160 хвилин зі швидкістю близько двох метрів в секунду і у нього швидше за все, немає щільного ядра.

Перші результати, що дозволили зробити такий висновок, були отримані в 1974 році. Але робота з тих пір не припиняється. Чому? Та тому, що в науці важливі висновки необхідно робити з найбільшою обережністю, а висновок про пульсації Сонця, як ми бачили, загрожує далекосяжними наслідками.

Йдеться про те, щоб оголосити про існування в природі принципово нового джерела енергії: адже якщо у зірки немає ядра, немає в ній і місця термоядерним процесам.

Але що наука може запропонувати замість термояда, якщо не брати до уваги вельми сумнівних чорних дір? А нічого. І найдивовижніше, вчених це поки не дуже хвилює. Так вже у них прийнято: висувати нові гіпотези лише в тому випадку, якщо без них абсолютно неможливо обійтися. В даному випадку це означає, що буря припущень про природу сонячної енергії почнеться лише після того, як буде абсолютно безперечно доведена однорідність надр нашого світила.

Було перевірено, чи не може впливати на результати вимірювань сонячних пульсацій стан земної атмосфери; виявилося, що вона тут ні при чому. Було виявлено, що коливання з періодом 160 хвилин відчуває і теплове випромінювання Сонця — температура світила періодично змінюється на один градус. Нарешті, було знайдено, що блиск планети Уран теж змінюється з періодом 160 хвилин (а Уран адже, як всі планети, світиться остільки, оскільки відбиває сонячні промені), — інакше кажучи, Сонце поводиться подібно змінній зірці, подібно далеким цефеїдам.

Отже, ми живемо на планеті змінної зірки. Ну, а чи не пов’язані з сонячними пульсаціями процеси, що протікають в земній магнітосфері? Як залежать пульсації від обертання самого Сонця? Наскільки вони стабільні? Чи дійсно Сонце розширюється і стискається або ж мають місце якісь більш складні коливання, які могли б виникнути і в світилі з щільним ядром? Це питання, на яке повинні відповісти майбутні спостереження.

Автор: Е. Воробій.