§ 122. Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности
Строение Солнца. Мы не можем непосредственно заглянуть внутрь Солнца, поэтому представление о его внутреннем строении получаем только на основе теоретического анализа, используя наиболее общие законы физики и такие характеристики Солнца, как масса, радиус, светимость.
Солнце не расширяется и не сжимается, оно находится в гидростатическом равновесии, так как силе гравитации, стремящейся сжать Солнце, препятствует сила газового давления изнутри.
Расчеты показывают, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 • 10 6 К. На расстоянии 0,7R
температура падает до порядка 10 6 К. Плотность вещества в центре Солнца около 1,5 • 10 5 кг/м 3 , что более чем в 100 раз выше его средней плотности.
Термоядерные реакции протекают в центральной области Солнца радиусом, примерно равным 0,3R. Эта область получила название ядра. Вне ядра температура недостаточна для протекания термоядерных реакций.
Энергия, выделившаяся в ядре Солнца, переносится наружу, к поверхности, двумя способами: лучистым и конвективным переносами. В первом случае энергия переносится излучением; во втором — при механических движениях нагретых масс вещества.
Лучистый перенос энергии происходит в ядре до расстояний (0,6—0,7) R от центра Солнца, далее к поверхности энергия переносится конвекцией. Проявление конвекции наблюдается в виде грануляции в фотосфере. Полное время, которое требуется энергии, выделившейся в ядре, чтобы достигнуть поверхности Солнца, составляет около 10 млн лет. Так что тот свет и тепло, которые согревают и освещают нашу Землю сегодня, были выработаны в термоядерных реакциях в центре Солнца 10 млн лет назад.
Конечно, астрономы ищут способы заглянуть внутрь Солнца и проверить теоретические представления о его строении. На этом пути им на помощь пришли физики, изучающие элементарные частицы. Дело в том, что при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. В отличие от излучения нейтрино практически не задерживается веществом. Возникая в недрах Солнца и распространяясь со скоростью, близкой к скорости света, они через 2 с покидают поверхность Солнца и через 8 мин достигают Земли. Для наблюдений солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп, который в течение многолетних наблюдений и зарегистрировал ожидаемый поток нейтрино от Солнца. Эти наблюдения окончательно подтвердили правильность наших теоретических моделей строения Солнца как звезды. Поэтому мы в полной мере можем использовать полученные результаты для разработки моделей других звезд. Другие звезды главной последовательности по строению во многом похожи на Солнце.
Красные гиганты и сверхгиганты. Отличительной особенностью этих звезд является отсутствие ядерных реакций в самом центре, несмотря на высокие температуры. Ядерные реакции протекают в тонких слоях вокруг плотного центрального ядра. Так как температура звезды уменьшается к поверхности, то в каждом слое идет определенный тип термоядерных реакций. В самых внешних слоях ядра, где температура составляет около 15 • 10 6 К, из водорода образуется гелий; глубже, где температура выше, из гелия образуется углерод; далее из углерода — кислород, и в самых глубоких слоях у очень массивных звезд при термоядерных реакциях образуется железо. Более тяжелые химические элементы образовываться с выделением энергии не могут. Наоборот их образование требует затраты энергии. Итак, в красных гигантах и сверхгигантах формируются слоевые источники энергии и образуется большинство химических элементов вплоть до атомов железа.
Белые карлики. Эти звезды были названы белыми карликами, так как сначала среди них были обнаружены звезды белого цвета, а значительно позже — желтого и других цветов. Размеры их небольшие, всего лишь тысячи и десятки тысяч километров, т. е. сравнимые с размерами Земли. Но их массы близки к массе Солнца, и поэтому их средняя плотность сотни килограммов в кубическом сантиметре. Примером такой звезды служит спутник Сириуса, обозначаемый обычно как Сириус В. У этой звезды спектрального класса А с температурой 9000 К диаметр лишь в 2,5 раза превышает диаметр Земли, а масса равна солнечной, так что средняя плотность превышает 100 кг/см 3 .
Пульсары и нейтронные звезды. В 1967 г. астрономы с помощью радиотелескопов обнаружили удивительные радиоисточники, которые испускали периодические импульсы радиоизлучения. Эти объекты получили название пульсары. Периоды импульсов пульсаров, которых сейчас известно свыше 400, заключены в пределах от нескольких секунд до 0,001 с. Удивляла высокая стабильность повторения импульсов; так, первый открытый пульсар, который обозначается как PSR 1919, расположенный в неприметном созвездии Лисички, имел период Т = 1,33 730 110 168 с (рис. 16.3). Высокая стабильность периода, доступная только при измерении современными атомными часами, заставила вначале предположить, что астрономы имеют дело с сигналами, посылаемыми внеземными цивилизациями. В конце концов было доказано, что явление пульсации возникает в результате быстрого вращения нейтронных звезд, причем период следования импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды.
Эти необычные звезды имеют радиусы около 10 км и массы, сравнимые с солнечной. Плотность нейтронной звезды фантастическая и равна 2 • 10 17 кг/м 3 . Она сравнима с плотностью вещества в ядрах атомов. При такой плотности вещество звезды состоит из плотно упакованных нейтронов. По этой причине такие звезды получили название нейтронных звезд.
Черные дыры. В конце XVIII в. известный астроном и математик П. Лаплас (1749—1827) привел простые, основанные на теории тяготения Ньютона рассуждения, которые позволили предсказать существование необычных объектов, получивших название черные дыры. Известно, что для преодоления притяжения небесного тела массой М и радиусом R нужна вторая космическая (параболическая) скорость 
При меньшей скорости тело станет спутником небесного тела, при ν ≥ ν2 оно навсегда покинет небесное тело и никогда не вернется к нему. Для Земли ν2 = 11,2 км/с, на поверхности Солнца ν2 = 617 км/с. На поверхности нейтронной звезды массой, равной массе Солнца, и радиусом около 10 км ν2 = 170 000 км/с и составляет всего около 0,6 скорости света. Как видно из формулы, при радиусе небесного тела, равном R = 2GM/c 2 , вторая космическая скорость будет равна скорости света с = 300 000 км/с. При еще меньших размерах вторая космическая скорость будет превышать скорость света. По этой причине даже свет не сможет покинуть такое небесное тело и дать информацию о процессах, происходящих на его поверхности, нам — далеким наблюдателям.
Если такие объекты во Вселенной существуют, то они являются как бы дырами, куда все проваливается и откуда ничего не выходит. Поэтому в современной литературе за ними укоренилось такое название — черные дыры.
В настоящее время обнаружены черные дыры в составе двойных звездных систем. Так, в созвездии Лебедя наблюдается тесная двойная система, одна из звезд, излучающая видимый свет, — обычная звезда спектрального класса В, другая — невидимая звезда малого размера — излучает рентгеновские лучи и имеет массу около 10М. Эта невидимая звезда представляет собой черную дыру с размерами около 30 км. Рентгеновское излучение испускает не сама черная дыра, а нагретый до нескольких миллионов градусов диск, вращающийся вокруг черной дыры. Этот диск состоит из вещества, которое черная дыра своим тяготением вытягивает из яркой звезды (рис. XV на цветной вклейке).
Теоретические представления о внутреннем строении звезд главной последовательности были подтверждены прямыми наблюдениями потоков нейтрино из солнечного ядра.
В некоторых двойных звездных системах обнаружены черные дыры.
Вопросы к параграфу
1. Какие процессы теплопроводности переносят энергию от центра Солнца наружу?
2. Какие реакции служат источником энергии Солнца и звезд?
Источник
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности и источники энергии
Звезды — наиболее часто встречающиеся тела во Вселенной. Многие астрофизики посвящают свою жизнь их изучению. При этом все светила настолько удалены от нашей планеты, что о непосредственном их исследовании пока приходится лишь мечтать. Только Солнце доступно для постоянного наблюдения на сравнительно небольшом расстоянии. Однако и в случае центрального светила нашей планетной системы большинство параметров получаются из вычислений, основанных на теориях и лишь косвенно подтверждающихся наблюдениями. Внутреннее строение Солнца, источник его энергии, особенности некоторых процессов, происходящих в недрах, — все эти характеристики выведены «на кончике пера». Однако их достаточно для объяснения многих нюансов поведения не только нашего светила, но и других, схожих с ним звезд.
Параметры
Солнце — звезда спектрального класса G2, желтый карлик. Его масса оценивается в 2·10 30 кг, а радиус составляет 696 тысяч километров. В химическом составе светила сильно преобладает водород (90 %), за ним следует гелий (10 %) и более тяжелые элементы (менее 0,1 %). Источники энергии и внутреннее строение Солнца тесно связаны с соотношением и преобразованием этих атомов.
В каждой точке светила постоянно поддерживается равновесие двух противоположных сил: тяготения и давления газа. Благодаря их гармоничному соотношению Солнце является более или менее стабильным космическим телом. Аналогичный механизм лежит в основе поддержания постоянства всех звезд.
Термоядерный котел
Модель внутреннего строения Солнца сформирована благодаря данным наблюдения, теоретического анализа, спектроскопии и другим методам астрономии. На основе собранной таким образом информации определяются характеристики звезды. Выведенные закономерности и созданные теории существуют до тех пор, пока они хорошо объясняют видимые изменения, происходящие со светилом и другими аналогичными звездами главной последовательности.
Согласно современным представлениям основным источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, постоянно протекающие в его ядре. При крайне высоких температурах (14 млн кельвинов) происходит преобразование водорода в гелий. При этом выделяется внушительное количество энергии.
Внутреннее строение Солнца — это три зоны: ядро, изотермическая и конвективная область. Сердцевина светила занимает примерно четвертую часть его радиуса и представляет собой очень сильно сжатое вещество. Масса ядра — практически половина от общей солнечной. Именно здесь и протекают реакции синтеза элементов.
Далее следует изотермическая зона. Здесь образовавшаяся в ходе реакций в ядре энергия переносится путем излучения. Это наиболее протяженная зона. Энергия медленно просачивается сквозь нее. По мере ее продвижения уменьшается температура и давление в недрах Солнца. При определенных показателях этих параметров возникают конвекционные процессы — начинается следующий слой светила. Здесь перенос энергии осуществляется самим веществом. Конвективная зона у Солнца гораздо меньше изотермической (седьмая часть радиуса).
Близкие по структуре
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности схоже. Оно несколько отличается в случае голубых звезд и красных карликов. Для первых характерны конвективное ядро и достаточно протяженная зона лучистого переноса (изотермическая). Красные карлики по последовательности расположения слоев схожи со звездами типа Солнца. Однако у них доминирует зона конвекции, а лучистый перенос занимает лишь сравнительно небольшой участок.
Атмосфера
Привычной для нас поверхности у Солнца нет. Оно, как и все звезды, представляет собой светящийся газовый шар. Поверхность выделяется условно и разграничивает конвективную зону светила и его атмосферу. В ней также выделяют три слоя.
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности, схожих с ним, заканчивается зоной конвекции. Она непосредственно граничит с фотосферой, 300-метровым слоем, откуда излучение устремляется в космос, в том числе к Земле. Средняя температура этой части — 5800 К. По мере удаления от конвективного слоя она падает до значения в 4800 К. Фотосфера сильно разрежена. Ее плотность в тысячу раз меньше аналогичного параметра воздуха на Земле. Постепенно она перетекает в хромосферу, за которой располагается корона Солнца.
Состав атмосферы
Содержание тех или иных элементов во внешних оболочках светила определяется при помощи спектрального анализа. Его данные показывают, что по химическому составу атмосферы Солнце аналогично звездам второго поколения (они образовались в течение последних нескольких миллиардов лет). В отличие от своих предшественников они характеризуются гораздо большей концентрацией атомов элементов, тяжелее водорода и гелия. Солнце и аналогичные ему светила сформировались после разрушения части звезд первого поколения, в недрах которых в процессе термоядерного синтеза и образовались тяжелые элементы.
Хромосфера
Внутреннее строение Солнца и звезд недоступно для непосредственного наблюдения. То же можно сказать и о следующей за фотосферой воздушной оболочкой светила. Значительная яркость позволяет увидеть ее только во время полного солнечного затмения. Эта оболочка носит название «хромосфера», что в переводе означает «окрашенная сфера». В тот момент, когда Луна загораживает собой Солнце, она приобретает розоватый оттенок, появлению которого способствует водород. Именно этот элемент составляет внушительную часть сильно разреженной хромосферы.
Температура здесь выше, чем на предыдущем слое. Такое явление объясняется понижением плотности вещества. В верхних слоях хромосферы температура достигает 50 тысяч кельвинов.
Корона
Линия спектра водорода перестает быть различимой на высоте 12 тысяч километров над фотосферой. Чуть дальше заметен след кальция. Его линия спектра исчезает еще через 2 000 км. Высоту в 14 000 км над фотосферой принято считать началом короны, третьей внешней оболочки нашего светила.
Чем выше от условной поверхности Солнца, тем менее плотным становится воздух и значительнее температуры. Корона, представляющая собой разреженную плазму, разогревается до 2 млн кельвинов. В результате этого вещество области становится постоянным мощным источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
Исследования показывают, что протяженность короны составляет 30 солнечных радиусов. Чем дальше от хромосферы, тем менее плотной она становится. Последний ее слой перетекает в космическое пространство, образуя солнечный ветер.
Будущее
Внутреннее строение Солнца, как его видят сегодня ученые, будет таким не вечно. Рано или поздно, по прогнозам примерно через 5 млрд лет, светило исчерпает запас топлива. В результате внутреннее строение Солнца сильно поменяется: ядро сожмется до размеров, в 100 раз меньших современных габаритов светила, а его остальные оболочки превратятся в медленно остывающую атмосферу. Наша звезда войдет в стадию красного гиганта. Еще через несколько десятков тысяч лет расширившаяся оболочка Солнца рассеется в космическом пространстве и светило превратится в белого карлика.
Сомнения
Развитие события может пойти и по другому сценарию, поскольку источники энергии и внутреннее строение Солнца, а также аналогичных ему звезд, все-таки изучены не до конца. Высказываются предположения, что термоядерный синтез не играет столь важную роль, какую ему приписывают. Косвенное подтверждение этому — солнечное нейтрино, точнее, его отсутствие. Эти частицы образуются в процессе термоядерных реакций и обладают мощнейшей пробивной способностью, то есть должны беспрепятственно добираться до Земли. Однако зафиксировать их пока не удалось.
Интересны и данные группы астрономов под руководством академика А.Б. Северного. Согласно им Солнце испытывает незначительные колебания. Они возможны только при условии однородности светила. То есть если бы удалось запечатлеть внутреннее строение Солнца, фото продемонстрировало бы полное единообразие слоев. При этом температура ярда светила должна составлять 6,5 миллиона кельвинов, что мало для протекания термоядерных реакций. Пока эта гипотеза лишь набирает силу.
Таким образом, внутреннее строение Солнца, кратко изложенное здесь, требует дальнейшего внимательного изучения. Возможно, окончательное понимание процессов, происходящих в недрах светил, станет доступно для нас только после значительного усовершенствования аппаратуры и методов познания.
Источник