Когда и как погаснет Солнце
Жизнь на нашей планете была бы невозможна, если бы не жёлтый шар, который восходит на востоке каждое утро. Звезда по имени Солнце – жёлтый карлик, благодаря теплу и свету которого мы существуем. Под жёлтыми карликами принято понимать небольшие звёзды, не такие горячие, как голубые. Примерная температура светил колеблется от пяти до шести тысяч кельвинов. В среднем их размер варьируется: они могут составлять как четыре пятых нашего Солнца, так и на пятую часть превышать его габариты.
В Солнечной системе звезда только одна (собственно, отсюда и название), но в системах других планет их часто бывает две, а иногда и больше. Считается, что в группах им сосуществовать комфортнее. Жёлтых карликов во Вселенной несчётное множество. И Солнце не является среди них чем-то необычным, оно не обладает совершенно никакими отличительными характеристиками и из других систем, должно быть, выглядит так же, как для нас другие звёзды. Тем не менее, для землян Солнце всегда будет являться особенным.
Если принять на веру Теорию Большого Взрыва, согласно которой вся Вселенная образовалась примерно четырнадцать миллиардов лет назад, то можно посчитать, что наша звезда находится «в самом расцвете сил». По примерным подсчётам, Солнцу сейчас около пяти миллиардов лет. Значит, оно появилось позже, чем первые звёзды, на девять миллиардов лет.
За счёт чего мы существуем? За счёт постоянной активности на Солнце, благодаря которой на звезде неустанно протекают термоядерные реакции. В процессе превращения водорода в гелий высвобождается огромное количество энергии, за счёт которой солнце светит и греет. Правда, чтобы солнечная энергия была полезна, нужно находиться на расстоянии 150 миллионов километров от Солнца. Более близкие расстояния (например, как между Венерой и светилом или между ним и Меркурием) губительны.
Сам огненный шар достигает в диаметре 1,4 миллиона километров. Для нас эта цифра кажется фантастической, но всё относительно. В масштабах целой Вселенной, где полно газовых гигантов, такой показатель достаточно посредственен. Весит Солнце в триста тридцать три раза больше, чем наша планета.
Несмотря на свой значительный диаметр, только 200 тысяч километров из него занимает ядро. Оно гораздо горячее и нагревается до четырнадцати миллионов кельвинов. Именно здесь протекают химические реакции. За пределами ядра происходит лучистый перенос. Этот процесс представляет собой многократное переизлучение фотонов, и он может длиться миллионами лет – настолько долог путь фотонов в верхние зоны звезды.
Выше – конвективная зона. Это своего рода огромный солнечный миксер, в котором происходит вихревое смешивание потоков фотонов между собой. В верхних слоях плазма заметно остывает, вследствие чего потоки утягивают ею вниз, где она набирает температуру заново.
Ещё выше – солнечная атмосфера. С Земли мы видим главным образом её, так как именно отсюда исходит большая часть излучения. Из атмосферы то и дело выбрасывает колоссальные потоки энергии, но в силу слишком яркого света газового шара мы этого не видим. Часть, в которую происходят «выбросы», именуется солнечной короной. Её возможно отчётливо разглядеть в период затмений.
Как только техника стала позволять, земляне не упускают из виду солнце. Ведётся постоянное изучение его характеристик. Вокруг звезды огромное количество всевозможных спутников, измеряющих основные показатели и отслеживающих активность на её поверхности. К сожалению, по вполне объективным причинам отправить на него исследователей или хотя бы станцию физически невозможно, но учёные подобрались к нему максимально близко: станция расположилась на орбите Меркурия.
И поскольку Солнце – не первый и не последний жёлтый карлик во Вселенной, его этапы развития можно отследить, а на их основании можно сделать прогнозы о его дальнейшей судьбе. Стоит чётко понимать, что жизненный цикл на Земле закончится гораздо раньше, чем звезда претерпит все изменения, а потому любые догадки носят чисто теоретический характер: их в любом случае никто не сможет подтвердить.
Скорее всего, в самом начале активных перемен на нашем источнике света жизнь на Земле (а может быть, и вся планета) погибнет. Примерно через один миллиард лет Солнце начнёт светить гораздо ярче: активность повысится, и это вызовет сильнейший парниковый эффект на нашей планете. Нет уверенности, что это однозначно убьёт всё живое, поскольку в морских глубинах живые существа всё ещё могут продолжить нормально существовать.
Но даже звезда не является вечным двигателем. Запасы водорода в ядре медленно, но верно, будут сокращаться, в связи с чем она станет светить гораздо ярче, чем сейчас. Через три с половиной миллиарда лет этот показатель превзойдёт современный на сорок процентов. Соответственно, меньше гелия – меньше диаметр ядра, но больше внешний диаметр звезды. Что касается Земли, то на ней будет происходить то же, что на Венере сейчас.
Запасы водорода подойдут к концу где-то через шесть с половиной миллиардов лет. На этом этапе Солнце будет горячее и ярче уже в два раза. А спустя восемь миллиардов лет шар станет настолько горячим, что все термоядерные реакции станут протекать уже не в ядре, а на внешних оболочках. К этому моменту Солнце уже полностью поглотит Землю и по праву станет являться звездой-красным гигантом.
Есть и другое предположение: возможно, орбита Земли изменится, и она станет находиться гораздо дальше, чем сейчас, и ещё какое-то время продолжит своё существование. Тем не менее, уж если в то время на Земле ещё останется какое-то подобие воды и атмосферы, то в силу медленного вращения Солнца и участившихся приливов и их сорвёт с поверхности. При условии, что сама планета просто не упадёт на гиганта.
Получается, уже безжизненная Земля, на которой не останется ничего, скончается примерно через восемь миллиардов лет. Дальше Солнце продолжит существование за счёт оставшихся ресурсов, но топливо не бесконечно: красные гиганты живут недолго, так что ещё сотни миллионов лет – и на оболочке звезды начнёт хаотично взрываться гелий. Это чревато, потому что подобные взрывы просто разорвут все верхние слои Солнца.
Кстати, сорванная поверхность светила породит ничто иное как туманность. Именно туманности – самые красивые участки Вселенной. Их часто изображают на космических полотнах. Двух одинаковых туманностей не существует. Каждая из них обладает собственной протяжённостью, формой, цветом. Должно быть, в этот момент наша система будет выглядеть особенно красивой.
Всё, что останется после пульсаций на оболочке звезды, — солнечное ядро, состоящее из углерода в алмазном состоянии. Размером оно будет практически как Земля, но гораздо плотнее и тяжелее – большая масса возможна только у нейтронной звезды или чёрной дыры. Это маленький белый карлик, но какой! Очень яркий и горячий. Он будет медленно умирать и охлаждаться – этот процесс может занять миллиарды лет, что свойственно всем белым карликам. Но в конце концов Солнце – если к тому моменту кто-то узнает в этом карлике
Солнце – погаснет навсегда
Но почему нашему солнышку не стать сверхновой? Сверхновая – это звезда, которая взрывается яркой вспышкой, становясь на десять-двадцать порядков ярче, чем она была, а затем медленно погасает. Кажется, что она берётся из ниоткуда, но на самом деле это не так.
Сверхновыми чаще всего действительно становятся именно белые карлики, находящиеся в тесных системах. Пока что будущее Солнце вполне подходит под это определение. Но тонкость состоит в том, что эти белые карлики в своей системе находятся не одни, а с более крупной звездой – обычно красным гигантом.
Выходит так, что из-за энергетического притяжения между двумя звёздами карлик постепенно перетягивает на себя часть энергии, и она образует вокруг последнего аккреционный диск. На нём энергия нестабильна, и вещество периодически может внезапно взрываться. Именно эти взрывы по всей площади диска и рождают сверхновую.
Взрывы могут длиться всего несколько дней, а потом в течение нескольких лет звезда постепенно гаснет. Процесс стихийного взрыва достаточно цикличен и так, постепенно, звезда всё наращивает и наращивает газовую оболочку, одновременно с этим становясь ярче в десять, а то и в сто тысяч раз.
Но Солнцу едва ли предоставится возможность стать сверхновой, потому что оно находится в своей системе в одиночку. Нет более крупной звезды, у которой оно могло бы перетянуть активное вещество для подкрепления своих сил. А значит, скорее всего, оно так и останется постепенно гаснущим белым карликом.
Процесс угасания может занять просто неприличное число времени – до десяти квадриллионов лет. Что произойдёт после этого? Солнце станет чёрным карликом. Стоит понимать, что эта стадия является конечной в цикле жизни небольшой звезды, но она в большей степени теоретическая – всё-таки, наш опыт покорения космоса не настолько богат, чтобы однозначно утверждать, что погасшие звёзды, которых больше не видно, обладают теми или иными параметрами. Но чисто логически, они должны существовать. Сложность в том, что процесс их угасания занимает просто неприличное количество времени, и с точностью утверждать, что такие объекты есть в непосредственной близости от солнечной системы, нельзя.
Если опираться на Теорию Большого Взрыва, то таких объектов и вовсе ещё не может существовать: они просто не успели образоваться с момента создания Вселенной. Тем не менее, теоретически на поверхность чёрного карлика уже можно высадиться. К моменту его образования поверхность звезды остынет где-то до 5 кельвинов. Гравитация на Солнце будет очень сильной, а плотность едва ли позволит бурить поверхность или ещё каким-то образом оставить на ней свой след.
Ещё одно интересное предположение: все звёзды станут чёрными карликами примерно (в рамках Вселенной, конечно) в один промежуток времени. Тогда настанет конец Вселенной. Эта эпоха прозвана учёными Эпохой Вечной Тьмы, что очень точно отражает суть вещей: источников света уже попросту нет, энергия звёзд иссякла, и ей неоткуда взяться.
Есть ещё один этап, который возможен для чёрных карликов – это взрыв чёрных карликов, который образует сверхновых чёрных карликов, но он носит ещё более теоретический характер, чем сам тип таких звёзд. Этот взрыв предполагает превращение алмазного карлика в железного посредством пикноядерного синтеза. Происходит это так: под воздействием собственной колоссальной массы звезда вновь перерождается. И вот на этой стадии, скорее всего, и Солнцу, и всей Вселенной придёт конец.
Таким образом, мы видим, что полный цикл угасания нашего огненного шара занимает свыше десяти квадриллионов лет, и это лишь примерная цифра, поскольку настолько заглянуть вперёд никто из учёных не способен. Сначала, через один миллиард лет, Солнце станет ярче на одиннадцать процентов, чего уже будет достаточно для сильнейшего парникового эффекта на поверхности Земли.
Через три с половиной миллиарда лет оно будет ярче на сорок процентов, и жизнь на Земле будет по определению невозможной. Солнце активно начнёт сжигать топливо, и вместо водорода в ядре постепенно станет перерабатывать углерод и кислород либо же водород с верхних слоёв оболочки.
Через шесть с половиной миллиардов лет светило станет больше в два раза, поглотит Меркурий, Венеру и Землю. Начнёт активно разрастаться за счёт расхода топлива с внешних оболочек и станет красным гигантом. Красный гигант просуществует совсем недолго – всего 100 миллионов лет, а затем станет белым карликом: верхние слои просто сорвёт, и останется только алмазное ядро. Белый карлик будет гаснуть свыше 10 квадриллионов лет, и такое число не укладывается в голове. В конце концов, он всё же остынет и превратится в чёрного карлика.
Солнце не сможет стать сверхновой, потому что ему неоткуда черпать вещество для создания аккреционного диска. Сверхновым карликом ему тоже не стать, потому что для этого у него недостаточно крупная масса.
Источник
Как не погасло Солнце: мир в ожидании конца света
Солнце даёт тепло и жизнь Земле. И будет дарить ещё многие сотни миллионов лет — звезды такого типа живут долго. Но во второй половине XX века ученые всерьёз опасались, что Солнце может погаснуть в любую минуту.
Что происходит на Солнце прямо сейчас?
Казалось бы, изучать поведение Солнца просто. Наведи телескоп — и смотри (только не забудь про фильтры). Но на самом деле понять, что происходит сейчас внутри звезды, очень сложно. Огромная толща солнечной материи — на редкость плохая оптическая среда. Свету из солнечного ядра приходится тащиться от 100 000 до 50 000 000 земных лет, чтобы только-только добраться до поверхности. А затем еще восемь минут, чтобы достигнуть Земли.
Напоминаю, что скорость света в 300 000 км/с — это скорость света в вакууме. В прозрачной среде скорость света может быть значительно меньше. Например, в лаборатории были созданы такие условия, при которых свет полз со скоростью едва-едва 17 метров в секунду.
Конечно, астрономов и физиков не очень-то устраивает наблюдать лишь то, что происходило внутри Солнца много-много лет назад. Им хочется знать, что же там творится сейчас.
И тут на помощь приходят нейтрино. Эти маленькие шустрые частицы, практически лишённые массы, очень-очень слабо взаимодействуют с окружающей их материей. Планеты, звёзды и люди для нейтрино мало чем отличаются от пустого места: они проскакивают их навылет, лишь изредка задевая атомы. Сплошная стена из меди толщиной в световой год (9,5 триллиона километров), возможно, сумела бы остановить половину летящих через неё нейтрино.
Родившись в ядре Солнца, нейтрино тратит не более пары секунд, чтобы подняться к поверхности. Ещё восемь минут — чтобы достигнуть Земли.
Именно нейтрино и решили использовать американские ученые Рэймон Дэвис и Джон Бакал для изучения внутренней структуры Солнца. Хотя заметить сами нейтрино почти невозможно, следы их пролёта можно обнаружить по косвенным признакам — например, по распаду протонов в толще воды.
Чтобы заметить неуловимые нейтрино, Дэвис установил огромный бак с тетрахлорэтиленом в глубокой подземной шахте: пролетающие сквозь бак солнечные нейтрино превращали некоторые атомы стабильного изотопа хлор-37 в радиоактивный аргон-37, количество которого можно было затем подсчитать. Бакал выполнил теоретические расчёты, позволявшие примерно оценить, какого порядка цифры стоит ожидать от солнечных нейтрино. И в 1970 году установка заработала.
Вот только возникла проблема.
Обнаруженный поток нейтрино был ровно втрое слабее расчётного.
А если Солнце погаснет?
Разумеется, будучи настоящими учеными, Дэвис и Бакал первым делом перепроверили свои расчёты и эксперименты. Но никакой ошибки в них не обнаружили. Более того, никакой ошибки в них не смогли найти и другие специалисты. Нет, вычисления Бакала и эксперименты Дэвиса были верны: а это значило, что нейтринный поток от ядра Солнца и в самом деле втрое слабее того, каким должен был быть. А значит, что-то не так было либо с нейтрино, либо с Солнцем.
Что вызвало… двойственную реакцию в научном сообществе.
Физики-ядерщики пожали плечами и сказали, что нейтрино — это малоизученные частицы и, наверное, какое-то их свойство было понято неправильно. Интересно, но не особенно важно. Мир ведь от этого не кончится.
С точки зрения астрономов, нейтринный поток от Солнца в 1/3 от расчетного означал, что сама активность недр Солнца по какой-то причине ослабела до 1/3 от обычной. Прямо сейчас это не было заметно, поскольку поверхность Солнца все еще излучала фотоны, порождённые в его ядре 100 000 — 50 000 000 лет назад. Но в какой-то момент в будущем тепло, излучаемое Солнцем, должно было ослабеть на две трети. С катастрофическими последствиями для Земли вообще и человечества в частности.
Фантастам идея грядущей солнечной катастрофы тоже пришлась по вкусу: роман «Песни далёкой Земли» сэра Артура Кларка был вдохновлён именно этим. Остальной мир отреагировал ожидаемо: сначала обеспокоился… а затем забыл о проблеме. Поскольку прогнозы астрономов относительно того, когда Солнце должно погаснуть, варьировались от «прямо сейчас» до «через пятьдесят миллионов лет», причём примерно равновероятно, человечество достаточно логично рассудило, что «прямо сейчас» делать что-то уже поздно, а готовиться к катастрофе через сотни тысяч лет — рано.
Вся суть проблемы оказалась в том, что в природе существуют три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Детектор Дэвиса мог засекать только один тип — электронные нейтрино, поскольку считалось, что Солнце излучает только их. Так и есть на самом деле. Но выяснилось, что у маленьких юрких нейтрино был ещё один трюк в кармане: они могли спонтанно превращаться из одного типа в другой. Например, из электронных — в мюонные… которые установка Дэвиса не видела.
Теория «нейтринных осцилляций» была предложена ещё в 1957 году, но долгое время физикам не удавалось придумать эксперимент, который позволил бы её проверить. Но они обратили внимание на то, что число типов нейтрино (три) странным образом перекликается с тем, что Солнце излучает лишь 1/3 электронных нейтрино от расчётного числа. Едва ли такое могло быть просто совпадением.
В 2001 году канадская нейтринная обсерватория провела измерение всего потока нейтрино от Солнца. В отличие от эксперимента Дэвиса, новая установка могла засекать все три типа нейтрино. И результаты эксперимента показали: 35 процентов нейтрино, летящих от Солнца, приходилось на электронные, а остальной поток составляли мюонные и тау-нейтрино. Последние, судя по всему, образовались путем превращения электронных нейтрино в полёте от солнечного ядра до Земли. Вместе все три типа нейтрино прекрасно укладывались в расчётные ожидания Бакала.
Мир был спасён. Солнце продолжало сиять в полном соответствии с ожиданиями. Недовольны были только фантасты, у которых отобрали такую красивую и соблазнительную катастрофу.
Источник