Солнце находится гораздо ближе к Земле, чем любая другая звезда. Расстояние до него составляет всего восемь световых минут, в то время как до Проксимы Центавра – более четырех световых лет. Можно предположить, что о Солнце мы знаем абсолютно все. Но это не совсем так. Naked Science рассказывает о тайнах, которые все еще скрывает наше дневное светило.
Знаменитый астроном Фред Хойл однажды заметил: «В основе своей структура звезды довольно незамысловата». В ответ профессор Редман сказал: «Вы бы тоже казались довольно простым, Фред, если бы находились на расстоянии в десять парсек». И действительно, наблюдение Солнца с расстояния, составляющего миллионные доли парсека, убеждает астрономов в том, что наша звезда выглядит весьма не проста (а если так, то и другие вряд ли проще).
Солнце представляет собой поразительное явление, бросающее вызов нашему стремлению к познанию мира. Оно подвергается тщательному изучению с использованием самых разнообразных методов, начиная от традиционных оптических наблюдений и заканчивая регистрацией солнечных нейтрино, однако и по сей день скрывает множество загадок.
Обыкновенная, но родная
Не стоит представлять Солнце как нечто, что не имеет отношения к научному пониманию мира. Мы обладаем обширными знаниями о нем. Даже краткое изложение этих знаний заняло бы несколько значительных по объему книг.
Давайте выделим ключевые моменты. Диаметр Солнца превышает диаметр Земли более чем в сто раз, а его масса — в 330 тысяч раз. Температура на поверхности звезды составляет 5500 градусов Цельсия, а в ядре — 15 миллионов. Возраст Солнца оценивается примерно в пять миллиардов лет. Энергия, вырабатываемая светилом, обусловлена термоядерными процессами, в ходе которых ежесекундно происходит превращение 600 миллионов тонн водорода в гелий. Запаса топлива звезде хватит еще на пять миллиардов лет, что указывает на то, что оно находится на середине своего жизненного цикла. В целом, Солнце представляет собой типичную звезду спектрального класса G, не выделяющуюся ничем особенным.
Работа Солнца как источника энергии, основанной на термоядерных процессах, достаточно хорошо исследована – именно благодаря этим процессам существует и само Солнце, и мы. В недрах звезды протекают термоядерные реакции, в результате которых образуются фотоны. Излучение, создаваемое этими фотонами, оказывает значительное давление, препятствующее сжатию звезды под действием гравитации. Путь фотона к поверхности, или фотосфере, занимает десятки тысяч лет, поскольку он многократно поглощается и переизлучается веществом. Достигнув фотосферы, свет покидает звезду и распространяется в космосе, в том числе, чтобы согреть Землю.
Это, однако, является основным процессом, происходящим в светиле. Он сопровождается обширным перечнем дополнительных эффектов. Эти эффекты нередко оказываются труднообъяснимыми.
Вопрос короны
Одна из наиболее известных загадок, связанных с Солнцем, касается температуры его короны. Корона представляет собой внешний, слабо плотный слой солнечной атмосферы. Находясь на максимальном удалении от центрального источника тепла, она, по всей видимости, должна быть умеренно холодной. Однако, реальность оказывается иной. Температура слоя, расположенного под короной — хромосферы — достигает десятков тысяч градусов. При этом, в тонком (около сотни километров) переходном слое между хромосферой и короной температура неожиданно возрастает до миллионов градусов!
Почему? Что поддерживает высокую температуру короны? Непрерывный каскад микроскопических вспышек? Или электрический ток, проходящий через плазму? Возможно, это волны, подобные звуковым (для более осведомленных читателей: магнитогидродинамические). Все три предположения имеют значительную поддержку в научном сообществе. Это говорит о том, что однозначного ответа никто не знает. В средствах массовой информации время от времени появляются сообщения с заголовками вроде «Ученые, наконец, объяснили причину высокой температуры короны». Они были бы более захватывающими, если бы эту тайну не «разгадывали» уже много лет с такой поразительной регулярностью.
Ветер знает
Солнечный ветер представляет собой еще одну многогранную загадку. Это непрерывный поток заряженных частиц, главным образом протонов и электронов, выбрасываемых Солнцем. Существуют два вида солнечного ветра: медленный (со скоростью 300—400 километров в секунду) и быстрый (700—800 километров в секунду). Не кажется ли даже «медленный» ветер достаточно быстрым?
Солнечная система пронизана солнечным ветром. Однако его плотность крайне низкая: в кубическом сантиметре околоземного пространства содержится лишь 5–10 частиц. Для сопоставления: количество атомов в стакане воды превышает число стаканов воды в Мировом океане. Астроном воспринимает это как поток вещества, в то время как физик вполне обоснованно может назвать это вакуумом.
Самый главный вопрос о солнечном ветре заключается в том, стоит ли вообще удивляться его наличию. С одной стороны, корона Солнца обладает чрезвычайно высокой температурой, причины чего пока не ясны. Однако, кажется вполне логичным, что часть вещества покидает её и уходит в космос, подобно пару, выходящему из кипящей кастрюли.
Однако, значительное притяжение Солнца оказывает противоположное влияние. Мы пока не можем предсказать, какая сила окажется определяющей в этом взаимодействии. Не существует точных математических моделей, позволяющих точно рассчитать поток солнечного ветра. Существующие модели могут быть применены в обоих направлениях: они описывают как выброс вещества из звезды, так и его аккрецию на звезду. Если ученые когда-нибудь обнаружат Солнце 2.0, вероятно, оно будет поглощать окружающее вещество, а не выбрасывать его в космос.
Впрочем, решить эту проблему возможно, добавив к солнечному ветру дополнительный источник энергии. Это означает, что вещество покидает корону не только посредством «испарения»: его что-то дополнительно выталкивает. Если бы только можно было установить, что именно… Как насчет плазменных волн в короне?
Еще одна нерешенная проблема, связанная с солнечным ветром, — это его турбулентность. Он не движется ровными потоками, подобно реке в равнинной местности. Вместо этого плазма находится в бурном движении, напоминающем пенящийся горный поток. Причина этого явления пока не ясна, вероятно, она связана с процессом его образования — детали этого механизма остаются неизвестными.
Неспокойное светило
Астрономов также интересуют вопросы, связанные с магнитным полем Солнца. Однако, наличие такого поля у звезды не вызывает удивления, поскольку оно генерируется электрическими токами, то есть упорядоченным движением зарядов. Солнце преимущественно состоит не из нейтральных атомов, а из свободных протонов и электронов. Если привести эти частицы в упорядоченное движение, возникнет электрический ток.
Поразительный факт: магнитные полюса Солнца смещаются с необычной скоростью, что приводит к их смене – северный и южный полюса меняются местами примерно каждые 11 лет. Иными словами, существует 22-летний цикл, в течение которого северный магнитный полюс возвращается в исходную точку. Причины этого явления и то, почему период составляет именно 22 года, остаются не до конца понятными. Существуют модели, пытающиеся объяснить это, но многие детали требуют дальнейшего изучения.
Известно, что 11-летний цикл солнечной активности связан с 22-летним циклом смены магнитных полюсов. Наиболее заметным признаком этого цикла являются солнечные пятна – области пониженной температуры, относительно небольшие по сравнению с размером Солнца).
В период, когда магнитные полюса Солнца совпадают с осями его вращения, на его поверхности наблюдается наименьшее количество солнечных пятен, что характерно для минимума 11-летнего цикла. Смещение магнитных полюсов в сторону экватора приводит к увеличению числа пятен. Максимум активности достигается, когда полюса располагаются на экваторе Солнца – это момент максимума 11-летнего цикла. После прохождения экватора магнитные полюса начинают двигаться обратно к географическим полюсам, но уже с противоположной полярности. В результате число пятен снова снижается до минимального уровня.
Двенадцатилетний цикл солнечной активности представляет собой половину 22-летнего цикла переполюсовки. Ему подвержены не только солнечные пятна, но и вспышки, выбросы вещества в космос, а также другие процессы. Особенно неприятно, что природа этого цикла до сих пор недостаточно изучена. Неустойчивость цикла, проявляющаяся в необычной глубине или продолжительности минимумов и максимумов, лишь усугубляет загадку.
Когда Солнце плюется
Солнечная активность окружена множеством загадок. Среди ее разнообразных проявлений стоит выделить явление, оказывающее, вероятно, наиболее ощутимое воздействие на нашу планету – выбросы корональной массы (coronal mass ejection или CME). Выбросы корональной массы – это облака плазмы, выбрасываемые Солнцем и имеющие массу в миллиарды тонн. Они более плотные, чем обычный солнечный ветер, однако остаются крайне разреженными по земным стандартам. По объему эти облака существенно превышают Землю и периодически накрывают ее. Такое «погружение» способно спровоцировать магнитную бурю. Поэтому выбросы корональной массы представляют интерес не только для астрономов, занимающихся изучением космоса, но и для специалистов, решающих практические задачи.
Анализ данных свидетельствует о тесной взаимосвязи между выбросами корональной массы и солнечными вспышками. Мощные вспышки часто сопровождаются выбросами корональной массы и, как следствие, магнитными бурями, которые привлекают значительное внимание общественности. Однако природа этой связи остается неясной. Возникает вопрос: является ли вспышка причиной выброса, или наоборот, выброс вызывает вспышку? Возможно, вспышка и выброс – это два проявления одного и того же явления? Как и положено, у каждой из этих гипотез есть свои сторонники. На первый взгляд, можно было бы определить последовательность событий, сравнив время возникновения вспышки и выброса. Однако даже в этом вопросе наблюдательные данные демонстрируют удивительную неоднозначность. В целом, кажется, что события могут происходить в обоих направлениях.
Практически любое исследование, будь то изучение солнечной короны или анализ солнечной активности, порождает множество неразгаданных вопросов. Судя по всему, Солнце предоставит работу ученым на протяжении многих поколений.