Еще одно фундаментальное открытие, сделанное в 1913 году немецким физиком Иоганном Штарком (1874–1957), позволило обнаружить, что линии расщепляются под влиянием не только магнитного, но и электрического поля (Нобелевская премия 1919 года). Позднее оказалось, что эффект Штарка наблюдается и на Солнце, преимущественно в сильных солнечных вспышках.
Не лишним будет повторить: спектральный анализ дает массу данных о физических условиях на Солнце. Спектроскопист должен учитывать, что контур линии, как правило, несет в себе вклад разных физических факторов: могут одновременно проявляться и эффект Доплера, и эффект Зеемана, причем в большинстве случаев происходит наложение вкладов от разных структур на Солнце на разных высотах. Это означает, что исключать один из эффектов можно, переходя к другим линиям (разные линии проявляют разную чувствительность к влиянию разных факторов) или к другим участкам солнечной поверхности. Постановка наблюдательного эксперимента и его последующая интерпретация – это «высший пилотаж» в солнечной астрофизике, требующий высокого уровня профессионализма и физической интуиции. Это очень трудная часть гелиофизики, но здесь велика и отдача…
Появление множества новых данных о физических условиях на Солнце дало возможность обоснованно рассуждать о природе светила. Достижения физики (в частности, термодинамики) во второй половине XIX века показали, что идея Гершеля-старшего (холодное, темное Солнце и ярко излучающий облачный слой фотосферы) невозможна. Даже если бы излучающий слой существовал (его фантастическая природа выглядела все более неправдоподобной по мере развития физики), Солнце внутри не могло бы оставаться холодным – оно бы стремительно прогрелось до таких же температур. Напомним, что идея холодного Солнца была основана на простом желании населить солнечную поверхность живыми существами, а также на идее аналогии: все небесные тела хотелось уподобить Земле. Природа оказалась более разнообразной. Устройство звезды по имени Солнце и планет оказалось существенно различным.
Становилось ясно, каким Солнце не может быть.
Но какова же все-таки его природа?
Вопрос о том, что же все-таки такое Солнце, неразрывно связан с вопросом об источниках его энергии. Прямые (пусть первоначально и неточные) измерения потока солнечной энергии, падающего на Землю, показали, что энерговыделение Солнца чудовищно велико. Никакое горение не может дать такую величину. Что заставляет светило ежесекундно извергать гигантские потоки энергии?
С идеями было плоховато (не рассматривать же всерьез идею с горящим углем!..). Анализируя выдвигавшиеся в прошлом идеи, будем следовать обзору известного российского астронома, эрудита и специалиста по истории астрономии Виталия Александровича Бронштэна (1918–2004), опубликованному в журнале «Звездочет» в 1997 году. Более подробно об этом В. А. Бронштэн писал в книге «Гипотезы о звездах и Вселенной», опубликованной издательством «Наука» в 1974 году.
Итак, судя по всему, первая серьезная попытка научно обосновать происхождение солнечной энергии принадлежала английскому физику Юлиусу Роберту Майеру (1814–1878), врачу по образованию. В 1840 году он пришел к идее взаимного превращения механической работы и теплоту, что позднее позволило ему впервые сформулировать закон сохранения энергии. Приложение его концепции к Солнцу потребовало искать источники огромной энергии светила, и Майер в 1849 году нашел их за пределами Солнца! Майер предположил, что Солнце непрерывно бомбардируется метеоритами, при этом кинетическая энергия падающих метеоритов превращается в тепло. Собственно, это, согласно гипотезе, и разогревает Солнце, заставляя его светиться.
Идея Майера, на самом деле, абсурдной не является. Сравнительно недавно (по тем временам) было признано, что камни действительно могут падать с неба. В те годы еще продолжалась знаменитая «столетняя война» между учеными, объяснявшими многочисленные кратеры на Луне падениями крупных метеоритов, и учеными, которые связывали кратеры с лунным вулканизмом. Все больше доводов приводилось в пользу ударной гипотезы. Огромные воронки (кратеры), достигавшие в диаметре многих десятков (иногда – сотен!) километров, свидетельствовали о том, что в космосе бывают катастрофические столкновения. Большое число кратеров указывало на то, что на Луну могла быть привнесена этими ударами значительная энергия.
Становилось ясно, что, если уж вся Луна покрыта следами ударов, то Земля тоже должна быть вся в шрамах, – даже в большей степени (Земля как мишень больше Луны, и притяжение у нее сильнее). Если сегодня вся поверхность Земли не покрыта кратерами, то только потому, что активные процессы стирают их с лица нашей планеты: это вода, ветер, землетрясения – факторы, которых нет на Луне (лунотрясения, как показали прямые измерения американских сейсмометров, в тысячу раз слабее землетрясений). И даже несмотря на это на поверхности Земли все-таки обнаружены десятки так называемых астроблем (в переводе с греческого «звездных ран») – древних следов столкновений с астероидами.
Солнце, как уже было известно во времена Майера, вместило в себя более 99,9 % всей массы Солнечной системы. Это самый крупный объект с диаметром почти 1 400 000 километров. Понятно, что шансы упасть на Солнце у любого небесного тела гораздо больше, чем столкнуться с любой планетой. Более мощное поле тяготения Солнца должно разгонять до огромных скоростей падающие тела, и сила ударов также должна быть значительной. Отсюда, в рамках этой логики, и тепло нашего светила…
Однако в науке любые рассуждения должны подкрепляться доказательствами. В данном случае несложно, зная мощность излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) Солнца, прикинуть, сколько же метеоритов должно на него падать, чтобы обеспечить необходимый приток энергии.
Оценки, сделанные В. А. Бронштэном, таковы. Нужно, чтобы на Солнце каждую секунду падали два триллиона тонн метеоритного вещества! В год набирается примерно одна сотая масса Земли. Сегодня мы знаем, что Солнце существует около пяти миллиардов лет. За это время на светило должно было непрерывным потоком высыпаться вещество, масса которого в 150 раз больше массы самого Солнца! Кстати говоря, из этого потока и на Землю бы что-то попадало, и тогда на нашу планету из космоса обрушивалось бы примерно в миллион раз больше, чем мы наблюдаем на практике. Идея приводит к явным нестыковкам.
Возможно, для спасения своей гипотезы Майер и предложил (впервые!) идею о том, что масса Солнца со временем уменьшается, поскольку солнечные излучения уносят с собой часть массы светила. Это действительно так: Солнце является источником так называемого солнечного ветра – непрерывного потока частиц (ядер атомов водорода и гелия). Кроме того, на Солнце иногда происходят импульсные события – выбросы плазмы, когда в межпланетное пространство выбрасываются многие миллиарды тонн солнечного вещества. Майер ничего не знал ни о солнечном ветре, ни о выбросах (его гипотеза оказалась верным прогнозом). Но организовать баланс за счет этого фактора все равно не удается: часть массы действительно уносится, но она на много порядков величины меньше и гипотетического притока метеоритов, требуемого для обеспечения энергетического выхода Солнца, и массы самого Солнца.
