В нашей галактике

Минуло немногим более ста лет, мы знаем и температуру Солнца, и его химический состав. Более того, знаем температуру его недр, представляем достаточно хорошо происходящие внутри нашей звезды процессы. С каждым годом Солнце все больше приоткрывает завесу своих тайн. И все-таки, мне кажется, я сумел убедить читателя в том, что еще не одно поколение физиков будет испытывать чувство неудовлетворенности из-за невозможности ответить на целый ряд вопросов о свойствах самой близкой к человеку звезды.

Но вернемся к «портрету» нашего желтого карлика. Как всякий истинный властелин (а Солнце — центральная фигура среди всех небесных тел, окружающих его), карлик имеет корону.

Корона хорошо видна невооруженным глазом во время солнечных затмений, и надо сказать, что даже простые фотографии короны производят сильное впечатление. Корона, самая внешняя часть «атмосферы» Солнца, состоит из чрезвычайно разреженного газа, нагретого до двух миллионов градусов.

Сразу же может возникнуть вполне естественный вопрос: почему температура фотосферы ниже температуры хромосферы и короны? Ответ состоит в том, что звуковые волны, голос Солнца, служат источником энергии, который нагревает корону. Именно поэтому во время затмения можно видеть яркий нимб, окружающий нашу звезду. Размеры короны солидны — несколько радиусов Солнца. Физику короны во многом определяют магнитные поля Солнца. Они образуют в короне «дыры» — области с пониженной температурой. Из дыр в короне с огромной скоростью истекает солнечный ветер — потоки заряженных частиц.

Когда-то, на заре своего рождения, Солнце было гораздо более неспокойным, чем сейчас, и существует точка зрения, согласно которой солнечный ветер был очень и очень интенсивным. Сейчас, в период своей зрелости, наше светило успокоилось, но все равно солнечный ветер и сегодня приносит нам уникальные научные данные, например о химическом составе Солнца. Ведь солнечный ветер облучает, скажем, поверхность Луны в течение миллиардов лет. Атомы самых различных элементов, из которых состоит солнечный ветер, а значит, и само Солнце, «вколачиваются» при столкновении в лунный грунт. Поэтому частички лунного грунта «помнят» химическую историю Солнца.

Когда американские космонавты высадились впервые на Луну, они оставили там на время кусочки золотой фольги. Солнечный ветер облучал фольгу, частицы Солнца внедрялись в нее, и потом, когда фольга была доставлена на Землю, ученые сравнили химический состав сегодняшнего солнечного ветра и того, который дул миллиарды лет назад…

Итак, мы получили некоторое представление о том что представляет собой наше Солнце сегодня. Картина, согласитесь, совсем не простая. Загадок и нерешенных вопросов немало: пятна, вспышки, одиннадцатилетний цикл, воздействие на наше здоровье магнитных полей Солнца. Все это «горячие точки» в нынешней физике нашей звезды. И конечно, о Солнце известно далеко не все, но не будь Солнца, физики могли бы лишь строить догадки о процессах, протекающих в других звездах, удаленных от него на огромные расстояния. Нужно отдавать себе отчет в том, что именно изучение Солнца помогло науке разобраться в строении миллиардов солнц нашей Галактики и Вселенной.

Наш рассказ о биографии Солнца был бы неполным и незаконченным, если бы мы с вами не попытались заглянуть в будущее и посмотреть, что же произойдет с нашей звездой в дальнейшем. Давайте попытаемся предсказать судьбу нашей звезды. Состояние современной астрофизики вполне позволяет делать столь смелые шаги.

Итак, в течение примерно пяти миллиардов лет живет наше Солнце. А сколько же ему еще осталось? Ведь и Солнце начнет когда-нибудь стареть. Как это будет происходить?

Здесь нам с вами придется оперировать уже законами и понятиями посложнее, чем закон Клайперона, описывающий поведение идеального газа.

Для начала вернемся к протон-протонному циклу. Мы уже говорили о том, что водород в центральных частях Солнца потихонечку выгорает. Сегодняшние оценки говорят, что водородной пищи Солнцу хватит еще на несколько миллиардов лет. В течение всего этого огромного промежутка времени в центре Солнца водород постепенно превращается в гелий. Гелий — нечто вроде золы в огромной ядерной топке Солнца. Только если из обычной печки золу можно убрать, то гелий накапливается, и таким образом у Солнца образуется гелиевое ядро. Процессы слияния ядер водорода в гелий приводят в конце концов к тому, что облегчается выход квантов света — фотонов к поверхности звезды, и поэтому светимость Солнца постепенно увеличивается.

Ядерные реакции по протон-протонному механизму уже не смогут идти в ядре, состоящем из гелия, а будут происходить лишь вокруг ядра, как бы в его оболочке. Гелий, образующийся в оболочке, добавляется к ядру, и его масса увеличивается. Ядро, естественно, начинает сжиматься. Но сжимается оно очень медленно, и энергия сжатия поэтому успевает выходить из него наружу. Температура ядра остается практически постоянной.

И раньше во время нормальной своей работы в центре Солнца плотности газа были велики: более 100 граммов в одном кубическом сантиметре. Газ, который потяжелее воды в сотню с лишним раз! А в процессе сжатия гелиевого ядра с этим газом начинают происходить поразительные вещи.

Я хочу только напомнить читателю, что, объясняя сейчас очень сложные процессы, которые будут происходить в центре Солнца с наступлением его старости, мне приходится сильно упрощать картину. И если до этого все можно было понять, пользуясь известными из школьного курса физики закономерностями, то сейчас в недрах Солнца поведение вещества описывается уже законами квантовой механики.

Почему? Ведь, казалось бы, квантовая механика описывает поведение частиц в микромире. Да, это так, но из-за роста плотности ядра (оно все время сжимается) газ начинает менять свой характер. Плотности уже заведомо превышают величину один килограмм в кубическом сантиметре. Состояние вещества при таких плотностях да еще и при температуре выше десяти миллионов градусов называют вырожденным. Но все-таки почему же квантовая механика?

Да потому, что этот вырожденный газ состоит главным образом из электронов. Конечно, в ядре нашего Солнца есть и ядра атомов. Но они «голые». Поведение ядра Солнца в целом определяется свойствами электронного газа чудовищной плотности. Здесь уже неприменима школьная физика. Здесь «работает» квантовая механика, описывающая поведение «коллектива» электронов. Свойства ядра становятся близкими к свойствам металлов. Ну а это означает, что ядро очень хорошо проводит тепло, имеет высокую теплопроводность. Именно поэтому, хоть ядро и сжимается, температура его практически не изменяется, за счет высокой теплопроводности оно успевает отдать «излишки» тепла наружу.

Итак, ядерные реакции в процессе старения Солнца пойдут вокруг ядра. Но из-за вырожденности ядра, из-за его высокой теплопроводности энергия здесь не запасается, она «накачивается» в оболочку, и наступит время, когда оболочка «разбухнет» от избытка энергии. В ней разовьются очень бурные конвективные процессы, гораздо более мощные, чем в сегодняшнем Солнце. Этот процесс займет немного времени, какие-нибудь миллионы лет.

Нет, не беспокойтесь, ведь мы помним, что все эти катаклизмы начнутся скорее всего через несколько миллиардов лет, так что пока развитию нашей цивилизации со стороны термоядерных реакций на Солнце прямой угрозы нет. Ну а загадывать, что будет с человечеством даже через тысячу лет, даже при спокойном Солнце, дело гораздо более сложное, чем прогнозировать поведение светила через пару миллиардов лет. Ведь поведение человечества нельзя описать точными физическими законами.

Итак, Солнце вновь закипит, да так, что здесь уже и от планет земной группы вряд ли останется что-нибудь, кроме оплавленных камней. Светимость Солнца возрастет при этом чудовищном кипении в тысячу с лишним раз, да еще вдобавок к этому оно начнет раздуваться и станет очень большим. Короче говоря, наш желтый карлик станет красным гигантом.