С одной стороны, понятно, что если солнечная постоянная и менялась в прошлом, то вряд ли существенно, иначе Земля бы претерпевала значительные скачки температуры с тяжелыми последствиями – от замерзания водоемов и гибели теплолюбивой части биосферы до массового таяния снегов, повышения уровня океана, усиленного парообразования и формирования мощной, влажной и раскаленной атмосферы.
Тем не менее, есть явные свидетельства, что климат в прошлом ощутимо менялся. Во времена динозавров (65–100 миллионов лет назад), на всей Земле было гораздо теплее (считается, что на 15–20 градусов!), и неопровержимые свидетельства этому находят геологи и палеонтологи. Хорошо известны и оледенения, когда граница вечных снегов опускалась на низкие широты. Причины этих изменений достоверно неизвестны, но вариации солнечной постоянной (изменения режима солнечного энерговыделения), безусловно, фигурируют в списке возможных причин.
Непрерывные измерения солнечной постоянной в течение последних десятилетий показали, что она слабо меняется с характерным временем порядка нескольких суток. Выяснилось, что небольшие (от +0,2 до –0,4 %) вариации солнечной постоянной связаны с появлением и исчезновением на Солнце пятен и факелов. В то же время обнаружены и более долговременные циклические изменения (с амплитудой порядка 0,1 %), с периодичностью около 11 лет. Таким образом, Солнце можно отнести к разряду слабопеременных звезд, светимость которых слабо и периодически меняется.
Есть ли у Солнца более длительные периоды изменения солнечной постоянной? Если есть, то каков размах этих изменений? Прямые измерения пока осуществляются слишком непродолжительное время, чтобы достоверно обнаружить долговременные вариации солнечной постоянной. Косвенные же данные говорят, что такие циклы, судя по всему, есть: порядка 100 или даже 2400 лет. Амплитуда этих изменений, похоже, невелика, и для выявления таких периодов требуются сложные и тонкие математические процедуры обработки долговременных рядов различных данных.
Таким образом, в первом приближении Солнце можно считать стабильным (с точностью до 0,5 %) источником энергии. С этой точки зрения термин «солнечная постоянная» во многом адекватно отражает собственный смысл. Разбираться же в тонких деталях сложного механизма незначительных колебаний светимости звезды еще предстоит.
При огромном энерговыделении Солнца его температура должна быть чрезвычайно высока. Спектральный анализ предлагает сегодня целый набор независимых (что очень важно!) способов определения температуры поверхности Солнца. Здесь могут быть использованы, например, упоминавшийся выше закон смещения Вина либо закон Стефана – Больцмана. Есть и другие способы. Все они дают немного различающиеся значения от 4200 до 5800 градусов.
Расчеты показывают, что температура Солнца должна увеличиваться по мере погружения в его недра под фотосферу. Так называемая стандартная модель внутреннего строения Солнца может быть проверена по следствиям, которые ею предсказываются для наблюдаемого фотосферного уровня. Эта модель дает с трудом представляемую величину около 15,7 миллионов градусов в центре солнечного шара! Ясно, что даже при значительно меньших температурах атомы вещества уже не могут существовать: они ионизуются (электроны, двигающиеся вокруг ядер атомов, отрываются). Таким образом, Солнце состоит не из атомов, а из гигантского количества атомных ядер, потерявших свои внешние электроны. Электроны там, конечно, тоже присутствуют, но они свободно перемещаются между ядрами. Это значит, правильнее сказать, что Солнце состоит не из газа, а из плазмы.
Но почему Солнце горячее? Изначально огромный газовый шар нагрелся из-за аккреции падающего на него вещества. Но с тех пор прошло около пяти миллиардов лет, и если бы в центре светила не «работала» таинственная «печка», скорее всего, оно бы уже остыло, и светимость нашей звезды постепенно уменьшалась бы. Тем не менее, согласно всем имеющимся данным, светимость Солнца за указанное время увеличилась примерно на треть – «печка» медленно, но верно «раскочегаривается». Что же это за «печка»? Кто подбрасывает в нее дровишки?
Как мы уже упоминали, вопрос об источниках энергии Солнца был поставлен давно. На роль «дров» для солнечной топки последовательно выдвигались трение об эфир, энергия от ударов падающих метеоритов, гипотетический солнечный уголь, гравитационное сжатие Солнца, а также аннигиляция частиц и античастиц.
В середине ХХ века пулковский астроном Николай Александрович Козырев предлагал в качестве топлива даже потоки времени, которые в недрах звезд (включая Солнце) трансформировались, согласно его идее, в энергию (электромагнитное излучение). Все указанные концепции были либо опровергнуты, либо (в последнем случае) остались недоказанными.
В предыдущей лекции было сказано, что исследования в области атомной физики позволили выдвинуть версию термоядерного синтеза в недрах Солнца. Рассмотрим эту теорию подробнее.
Чтобы понять смысл этой концепции, вспомним, как устроены атомы.
Самое простое и распространенное вещество в нашей Вселенной – это водород. Атом водорода устроен предельно просто. Его ядро – это элементарная частица с единичным положительным электрическим зарядом, которая называется протоном. Атом – электрически нейтральное образование. Вокруг протона движется частица, которая примерно в 1840 раз меньше протона по массе. Эта частица обладает единичным отрицательным электрическим зарядом. Это электрон. Положительный заряд протона нейтрализуется отрицательным зарядом электрона.
Второй по распространенности во Вселенной химический элемент – это гелий. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух электрически нейтральных частиц – нейтронов. Масса нейтрона чуть меньше массы протона и в 1838 раз больше массы электрона. Вокруг ядра атома гелия витают уже два электрона.
Другие типы атомов устроены сходным образом. У каждого очередного типа атомов (химического элемента) в ядре все больше протонов и нейтронов, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу протонов.
Мечта средневековых алхимиков заключалась в том, чтобы научиться получать из одного химического элемента другой (причем не какой-нибудь, а, разумеется, золото!). Однако все попытки достичь желаемого так и не увенчались успехом. Сегодня мы понимаем, что для того чтобы из одного типа атомов получить другой – например, из водорода получить гелий, – нужно попытаться объединить между собой ядра атомов водорода.
В обычных условиях это невозможно. Протоны положительно заряжены, а одинаковые заряды, как мы помним из курса физики средней школы, отталкиваются. При этом отталкиваются они с гигантской силой: сила электрического взаимодействия, или сила Кулона, оказалась чрезвычайно мощной! Она и сводила на нет все усилия алхимиков.
Но как же тогда два протона в ядре атома гелия уживаются между собой, находясь совсем рядом? Что удерживает от разлета взаимно отталкивающиеся протоны в ядрах еще более тяжелых атомов (того же золота), где их (протонов) может оказаться несколько десятков?
Выяснилось, что в природе существует так называемое сильное ядерное взаимодействие – сила, работающая внутри ядер атомов. Она примерно в 100 раз сильнее кулоновского отталкивания. Именно сильное ядерное взаимодействие прижимает протоны друг к другу внутри ядер атомов, «склеивает» их между собой. Но это взаимодействие обладает удивительным свойством: оно работает только на очень коротких расстояниях – порядка размеров атомного ядра! Достаточно протонам чуть разойтись между собой – и эта удивительная сила сейчас же исчезает, и тогда кулоновское отталкивание отбрасывает протоны друг от друга.
