Текст книги "Вселенная на ладони"

У нас нет возможности заглянуть внутрь Солнца и понаблюдать за пп-циклом в действии. Но мы можем предсказать, сколько энергии должно будет излучать Солнце, если именно это является его источником энергии. И сопоставить два числа.

Между тем существовала трудноразрешимая, неотступная проблема, мучившая астрономов вплоть до XXI века: на Землю от Солнца поступало недостаточное количество нейтрино. Нейтрино – это мельчайшие, почти невесомые субатомные частицы. Они также являются побочными продуктами пп-циклов Бете и, устремляясь от Солнца, распространяются по всей Солнечной системе. Но эти частицы невероятные индивидуалисты, они, никуда не отклоняясь, прямиком проходят через обычное вещество, подобно призракам. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходит больше солнечных нейтрино, чем количество людей на Земле. Однако они не наносят нам никакого вреда.

С начала 1960-х годов физики разрабатывали все более изощренные эксперименты, которые позволили бы им уловить хоть небольшую горсточку этих частиц в момент их прохождения сквозь нашу планету. Однако они сразу же заметили, что на Землю поступает недостаточное количество этих частиц. Ученым удалось зафиксировать лишь примерно треть того количества нейтрино, которое было предсказано на основе пп-циклов. Предположительно это объяснялось тем, что нейтрино видоизменяется – меняет «аромат», – превращаясь на своем пути к Земле в два других типа нейтрино. Следовательно, предыдущие эксперименты с нейтрино, чувствительные только к одному его типу, игнорировали два других типа этих частиц. Поэтому они регистирировали только треть того, что ожидали получить.

В период между 1998 и 2006 годом эксперименты в Америке и Японии показали, что в действительности имеются три разновидности нейтрино и каждая конкретная частица может переходить, или осциллировать, в одну из этих разновидностей. С учетом этих осцилляций, количество нейтрино, приходящих на Землю, оказывается ровно таким, каким оно должно бы быть, если бы пп-цикл являлся источником энергии Солнца.

Представьте, что вы разрезаете Солнце пополам, чтобы увидеть его слои. Точно в центре вы увидели бы его ядро, занимающее примерно четверть внутреннего слоя. Именно здесь гравитационное давление, оказываемое лежащим сверху веществом, вызывает подъем температуры и давления до уровней, достаточно высоких, чтобы синтезировать гелий из водорода посредством пп-цикла. Температура колеблется в районе 15 миллионов градусов по Цельсию, а давление настолько высокое, что ядерное вещество достигает плотности в тринадцать раз большей, чем плотность свинца.

Свет выходит из ядра в радиационную зону, простирающуюся на 70 % ширины Солнца. По мере выхода и отдаления от ядра температура постепенно снижается до тех пор, пока на вершине радиационной зоны не становится равной примерно 1,5 миллиона градусов по Цельсию. В то время как плотность вещества также постепенно снижается, частицы продолжают оставаться вблизи ядра в уплотненном состоянии. В среднем частица света не может продвинуться больше чем на сантиметр до того, как она налетает на что-либо и сбивается с курса.

Солнечный шар подразделяется на множество слоев, идущих от центра к его наружной короне

Если бы вы прослеживали путь отдельно взятой частицы света (фотона), вам пришлось бы ждать от 100 тысяч до 1 миллиона лет, чтобы увидеть, как она появляется из этой невообразимой сумасшедшей радиационной зоны, напоминающей машину для игры в китайский бильярд. Часто можно слышать, как люди говорят, что возраст видимого нам света составляет восемь минут, – именно столько времени необходимо свету, чтобы достичь поверхности Земли. Это время путешествия света, начинающегося от края Солнца, но свет зарождается не на краю, а в солнечном ядре. К тому времени, когда свет достигает наших глаз, ему уже исполняется 100 тысяч лет.

Переход через зону конвекции происходит значительно стремительней. Обычно для высвобождения энергии требуется всего три месяца. Как только свет достигает зоны конвекции, он абсорбируется газом. Это приводит к нагреванию газа, что делает его легче, и он поднимается еще выше по направлению к краю солнечного диска. Здесь он охлаждается, становится тяжелее и опускается обратно, вытесняя более теплую материю. В результате таких циклов конвекции энергия выводится из краевой части радиационной зоны в фотосферу – видимый наружный слой солнечного шара, который мы можем наблюдать. По мере того как атомы, находящиеся в краевой части конвекционной зоны, охлаждаются, происходит высвобождение энергии в форме света, который теперь может устремиться вовне и осветить всю Солнечную систему.

Теперь, когда вы в следующий раз почувствуете тепло солнечного света на своем лице и будете купаться в его лучах, возраст которых не меньше миллиона лет, остановитесь на мгновение, чтобы призадуматься о том, какой колоссальный путь проделала солнечная энергия, высвободившаяся из солнечного ядра и достигшая поверхности нашей кожи.

Структура солнца не заканчивается фотосферой, имеются также значительно более тонкие слои, обрамляющие его, а именно хромосфера и корона. Хромосфера является обиталищем 500-километровых струй – своеобразных молний в виде трубок-конусов синего цвета, называемых спикулами. В каждый конкретный момент времени на Солнце имеются сотни тысяч таких спикул.

Температура падает в направлении от ядра к фотосфере, но затем, по мере выхода из фотосферы, внезапно начинает расти, достигая 8 тысяч градусов по Цельсию на вершине хромосферы. Температура продолжает увеличиваться и при переходе через узкий 100-километровый коридор под названием транзитная зона, а достигнув основания короны, достигает до 500 тысяч градусов по Цельсию. В пределах солнечной короны температура возрастает до миллионов градусов по Цельсию. Никто в действительности не знает, почему Солнце внезапно и вновь начинает разогреваться – эта проблема коронального разогрева является основной темой в современных исследованиях Солнца.

Это означает, что физики, работающие в области исследований Солнца, намерены как можно тщательнее изучить корону, однако ее очень тонкую натуру затмевает блеск нижележащих слоев.

Раньше нужно было ждать полного солнечного затмения, когда Луна создавала благоприятные для наблюдений условия, закрыв остальную часть Солнца. Но в настоящее время в нашем распоряжении появились современные телескопы для исследования околосолнечного пространства, оборудованные коронографами – специальными дисками, блокирующими Солнце и создающими искусственное затмение, чтобы астрономы имели возможность регулярно исследовать солнечную корону.

Эти глаза, направленные на Солнце, фиксируют не только видимый свет. Они чувствительны и к другим частям электромагнитного спектра, включая ультрафиолетовый и рентгеновский спектры. Такие наблюдения позволили обнаружить корональные дыры – темные околополюсные области, которые почти не излучают радиацию. Возникнув, эти области продолжают существовать месяцами и являются источником высокоскоростных солнечных ветров.

Солнце – это далеко не неизменный желтый шар, появляющийся на нашем небосводе. Напротив, это невероятно динамичное и стремительно меняющееся небесное тело с бурлящей поверхностью и постоянно меняющимися очертаниями, сформированное под воздействием интенсивной магнитной активности.

Солнце – это гигантский магнит. Вы наверняка помните из школы тот заезженный эксперимент с магнитным бруском и железными опилками. Опилки выстраивались ровными рядами вдоль линий невидимого магнитного поля, пролегающих между его северным и южным полюсами. И у Солнца, и у Земли имеются аналогичные магнитные поля, пролегающие от одного полюса до другого. Наше магнитное поле закономерно сходно с полем магнитного бруска, потому что Земля вращается как единое твердое тело. Однако Солнце представляет собой вихрящийся колыхающийся шар, состоящий из чрезвычайно перегретого газа под названием плазма. Не являясь единым цельным телом, Солнце на экваторе вращается на 20 % быстрее, чем на полюсах. Астрономы называют это явление дифференциальным вращением, или ротацией.

В итоге магнитное поле на экваторе растягивается быстрее, чем на полюсах. Это приводит к тому, что общее магнитное поле Солнца становится значительно более сложным из-за того, что оно скручивается и запутывается. Во многом так же, как и в скрученной пружине или резиновом поясе, в результате этого процесса происходит накопление энергии вдоль магнитных линий. Мы наблюдаем высвобождение этой скрытой энергии в форме специфических проявлений и извержений на поверхности Солнца.

Солнечные пятна – одни из самых заметных и очевидных явлений на поверхности Солнца – затемнения, часто появляющиеся группами. Первым эти пятна еще в начале XVII века заметил Галилей, наблюдавший за небом в телескоп, но сообщения о солнечных пятнах, видимых невооруженным глазом, появлялись на протяжении более двух тысяч последних лет. И это вполне вероятно, поскольку некоторые солнечные пятна вырастают до размеров, равных более чем 10 % от общего диаметра солнечного диска – или до 160 тысяч километров. Это в 12,5 раза шире, чем диаметр земного шара. Солнечные пятна, как правило, существуют от нескольких дней до нескольких недель, однако некоторые из наиболее устойчивых долгожителей остаются на поверхности Солнца месяцами.

В течение многих лет объяснения происхождения этих пятен варьировались от предположений, что они вызваны штормами в солнечной атмосфере, до подозрений в том, что это синяки или кровоподтеки, за которые ответственны кометы камикадзе. Средняя температура фотосферы равна приблизительно 5,5 тысяч градусов по Цельсию, тогда как температура на солнечных пятнах в большинстве случаев варьируется от 3 тысяч до 4 тысяч градусов по Цельсию. Мощные локальные магнитные поля в районе локализации солнечных пятен по возможности препятствуют подъему тепла вверх из нижележащей конвекционной зоны. Именно поэтому солнечные пятна часто появляются парами – по одному на каждый полюс.

Еще со времен Галилея астрономы постоянно и подробно фиксировали количество солнечных пятен. Была установлена четкая модель изменения их числа – их количество достигало максимума ровно через каждые одиннадцать лет, после чего они постепенно исчезали и затем появлялись вновь.

АННИ МАУНДЕР (1868–1947)

Родившись в Северной Ирландии, Маундер (урожденная Рассел) получила образование в Кембридже, прежде чем стать одним из «человеческих компьютеров» в Королевской обсерватории в Гринвиче. Ей было поручено делать снимки Солнца и производить вычисления. Здесь же, в Гринвиче, она встретилась со своим коллегой-астрономом Уолтером Маундером, за которого в 1895 году вышла замуж. В соответствии с социальными установками и традициями своей эпохи она была вынуждена после замужества официально уволиться и оставить работу.

Однако пара продолжала вместе работать в области исследований строения Солнца и в особенности над проблемой солнечных пятен. Проанализировав исторические сведения об их появлении, они обнаружили корреляцию между низким числом пятен и периодом низких температур на Земле. Теперь период между 1645 и 1715 годом известен как минимум Маундера, или более распространенно – Малый ледниковый период.

Маундер, будучи великим пропагандистом астрономических знаний среди широкой публики, была одной из первых женщин, избранных в члены Королевского астрономического общества, после того как в 1916 году запрет в отношении женщин был снят. Сегодня Королевское астрономическое общество присуждает ежегодную медаль имени Анни Маундер самым достойным пропагандистам знаний о космосе.

Другие формы солнечной активности – вспышки на Солнце, протуберанцы и корональные выбросы массы, которые мы рассмотрим в следующем разделе, – также следуют этой тенденции. Требуется ровно одиннадцать лет дифференциального вращения, чтобы развернуть магнитное поле Солнца настолько, чтобы оно переключилось, только для того, чтобы перестроиться и снова свернуться.

Астрономы также установили наличие и других моделей развития солнечной активности. Первая из них известна под названием закона Шпёрера, по имени немецкого астронома Густава Шпёрера. На раннем этапе одиннадцатилетнего цикла солнечные пятна появляются в высоких или низких широтах солнечного шара, то есть на большом расстоянии от солнечного экватора. Однако по мере протекания цикла они появляются все ближе и ближе к экватору. График изменения расположения солнечных пятен в зависимости от времени сходен с бабочкой – отсюда и его название – диаграмма Бабочки. Закон Джоя, носящий имя американского астронома Альфреда Джоя, гласит, что пара солнечных пятен часто бывает наклонена так, что ведущее пятно находится ближе к солнечному экватору.

Большинство людей убеждены, что никогда нельзя смотреть прямо на Солнце. Хотя в большинстве случаев этого действительно не следует делать – Солнце может вас очень быстро ослепить, – вы все же можете посмотреть прямо на него, если использовать специальный солнечный телескоп. Огромные фильтры, расположенные спереди, резко снижают интенсивность света, пропуская через окуляр прибора лишь его очень незначительную и безопасную часть.

Если вы посмотрите на Солнце через окуляр такого телескопа, то наверняка наряду с солнечными пятнами увидите мельчайшие языки пламени, отходящие от края поверхности солнца. Это солнечные протуберанцы. Когда силовые линии магнитного поля Солнца вырываются наружу, в космическое пространство, они выносят с собой некоторое количество горячего газа. Возможно, самая впечатляющая картина возникает тогда, когда они образуют арку, возвышающуюся над фотосферой, – горячий газ следует за силовыми линиями магнитного поля, выходящими из Солнца и входящими обратно. Такие арки могут казаться небольшими, но они часто тянутся на сотни тысяч километров в длину.

То, что вы видите, напрямую зависит от угла вашего зрения. Представьте, что протуберанец извергается из Солнца прямо в направлении вас. В таком случае вы будете смотреть на него «в лоб». Астрономы называют это филаментами или волокнами. Они выглядят как змеи, скользящие по солнечному диску. Как и солнечные пятна, они кажутся более темными, поскольку вы наблюдаете более холодный газ перед горячей поверхностью Солнца, находящейся позади него.

Довольно часто люди ошибочно называют протуберанцы вспышками на Солнце, но солнечные вспышки представляют собой отдельный класс солнечных явлений. Как можно понять по их названию, речь идет о резком увеличении яркости и отдельных областей солнечной поверхности и вспышке излучения. Количество энергии, вовлеченной в этот процесс, разнится, – одна-единственная вспышка может привести к высвобождению миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте. Для сравнения, все взрывчатые вещества, использованные во время Второй мировой войны, – включая и атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки, – в совокупности составляли три мегатонны в тротиловом эквиваленте.

Вспышки на Солнце часто сопровождаются самым впечатляющим взрывом, который может произойти на Солнце: корональным выбросом массы (КВМ).

В марте 1989 года шесть миллионов канадцев провинции Квебек оказались погруженными в темноту во время девятичасового обрыва электрической сети. Поскольку связь с погодными спутниками также была прервана, северные сияния перестали быть северными – они стали видны далеко на юге, даже в южном Техасе и во Флориде. Все эти события имели одну причину: корональный выброс массы на Солнце (КВМ).

Потрясающий по красоте и мощный корональный выброс массы Солнцем в августе 2012 года

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Подобные мощные взрывы на Солнце приводят к выбросу в космическое пространство миллиардов тонн материала со скоростью более миллиона километров в час, который наводняет солнечную систему заряженными частицами. Когда эти частицы достигают Земли, мы оказываемся под воздействием геомагнитной бури, вызывающей колебания в нашем магнитном поле. Подобные космические события приводят к увеличению напряжения в электрических сетях, которые в конце концов отключаются, а также к повреждениям спутников и усилению полярных сияний. КВМ происходят каждые три-пять дней, но, к нашему счастью, большая их часть проходит мимо нашей крошечной планеты.

Одним из самых впечатляющих корональных выбросов массы, достигших Земли, было так называемое событие Каррингтона 1859 года, названное по имени английского астронома Ричарда Каррингтона. К счастью, наша электрическая инфраструктура в то время находилась в зачаточном состоянии. Электрический телеграф тогда был самым передовым средством коммуникации, и связь по нему была нарушена. Многие телеграфисты сообщали о том, что получили электрический удар. Если бы аналогичное событие произошло сегодня, ущерб наверняка составил бы триллионы долларов США. Самолеты должны были бы приземлиться и оставаться на земле, пока магнитная буря не уляжется. Даже в наши дни пилоты и воздушный экипаж относятся к разряду радиационных работников. Во время значительно более слабой бури на Солнце, произошедшей в 2003 году, все, кто находился в самолете, следовавшем по маршруту Чикаго – Пекин, должно быть, получили 12 % своей годовой нормы радиационного облучения.

По понятным причинам необходимо предсказывать подобные события – иметь службу прогноза погоды в космосе, во многом такую же, какая у нас есть на Земле. У нас нет возможности предотвратить это, но мы можем минимизировать наносимый нам ущерб. В настоящее время мы можем узнать, опасна ли приближающаяся буря на Солнце, лишь за несколько часов до того, как она обрушится на нас. Некоторые специалисты говорят, что прогноз космической погоды в настоящее время отстает от своего земного коллеги на тридцать-сорок лет. Однако уже предпринимаются определенные шаги для того, чтобы отодвинуть окно прогноза сначала за пределы двадцати четырех часов, а затем и нескольких дней. Эти работы имеют огромное значение, поскольку события, подобные событию Каррингтона в 1859 году, как предполагается, происходят каждые 150 лет или около того. Таким образом, это только вопрос времени, когда нам придется столкнуться с другим таким событием.

Это было многократно отрепетировано. Парашют раскрывается, и дежурящий вертолет загарпунивает его, обеспечив тем самым мягкую посадку бесстрашному путешественнику. Только все произошло не совсем так. 8 сентября 2004 года космический зонд НАСА «Генезис» прорвался сквозь атмосферу и разбился о поверхность Земли. На снимках с места события видно, как с вертолета наблюдают за жалкими остатками аппарата.

Стабилизирующий парашют не раскрылся – кто-то установил датчик ускорения верх ногами. Почти весь бесценный груз «Генезиса» был испорчен до невозможности.

Однако, к счастью, некоторые образцы были почти полностью восстановлены. Зонд запустили тремя годами ранее в смелой попытке захватить частицы солнечного ветра и вернуть их на Землю для проведения анализа. Это был первый случай возвращения миссии со времен миссий «Аполлона» и первая миссия из всех, которая привезла материал с орбиты, находящейся за пределами орбиты Луны.

Идея невидимых частиц, устремляющихся наружу из Солнца, обсуждалась уже в 1859 году Ричардом Каррингтоном во время события Карррингтона. В настоящее время мы знаем эти заряженные частицы – в большинстве своем электроны и протоны, – выбрасывающиеся из Солнца во все стороны со скоростью более миллиона километров в час. Самые стремительные потоки вырываются из дыр в солнечной короне. Оказавшись на свободе, частицы разлетаются по всему космическому пространству за пределами орбит планет, где они пересекаются с другими ветрами, исходящими от других звезд.

Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, в приполярных областях Земли возникает полярное сияние. Однако солнечный ветер далеко не погожий, – он также обладает достаточной разрушительной мощью. По мнению астрономов, атмосфера Марса в прошлом была значительно плотнее и таким образом могла сохранять жидкую воду на марсианской поверхности. В отсутствии магнитного поля, однако, солнечный ветер постепенно разъедал атмосферу Марса, «раздев» его догола. Сегодня Марс представляет собой обезвоженную, бесплодную пустыню.