Размеры звезд
Хотя Солнце кажется нам огромным, но в общем звездном потоке считается средним. Бывают крупнее экземпляры, а иногда встречаются и совсем крошечные. Давайте же более подробно разберем вопрос о размерах звезд.
Самые маленькие звездные небесные тела – красные карлики. Они достигают половины солнечной массы, хотя встречаются и с показателем в 7.5%. Это минимальная отметка, при которой возможен ядерный синтез в ядре. Если же массы не хватает, то получаем коричневые карлики. На нижней схеме можно детально рассмотреть сравнение размеров планет Солнечной системы с Солнцем и другими крупными звездами (Сириус, Арктур, Альдебаран, Бетельгейзе, Мю Цефея).
Сравнительный размер некоторых звезд и планет
Среди красных карликов стоит вспомнить ближайшего к нам – Проксима Центавра, достигающий 12% солнечной массы и 14% его размера (немного крупнее Юпитера).
Сегодняшний диаметр Солнца составляет 1.4 миллиона км. Но в конце существования звезда трансформируется в красного гиганта и увеличится в 300 раз, поглощая ближайшие планеты. Еще более крупной звездой выступает Ригель (голубой сверхгигант), превышающий солнечную массу в 17 раз (производит в 66000 раз больше энергии) и в 62 раза крупнее.
Хотите еще больший размер звезды? Легко! Как насчет красного сверхгиганта Бетельгейзе, который в 20 раз больше солнечной массы и завершает жизненный цикл. Есть предположение, что звезда взорвется как сверхновая в ближайшую тысячу лет.
Самой большой звездой стала VY Большого Пса. Красный сверхгигант в 1800 раз превышает размер Солнца. Если бы она встала на позицию нашей звезды в Солнечной системе, то легко достигла бы Сатурна.
Источник
Чему равна звездная величина нашего Солнца?
Наиболее яркие звезды без труда видны на засвеченном городском небе, а самые тусклые едва различимы при идеальных условиях наблюдения. Для характеристики блеска звезд и других небесных светил (например, планет, метеоров, Солнца и Луны) ученые разработали шкалу звездных величин.
Наиболее яркие звезды условились называть звездами 1-й звездной величины; те из звезд, которые по своему блеску в 2,5 раза (точнее, в 2,512 раза) слабее звезд 1-й величины, получили наименование звезд 2-й звездной величины. К звездам 3-й звездной величины отнесли те из них. которые слабее звезд 2-й величины в 2,5 раза, и т. д. Самые слабые из звезд, доступных невооруженному глазу, были причислены к звездам 6-й звездной величины . Нужно помнить, что название «звездная величина» указывает не на размеры звезд, а только на их видимый блеск.
В 1856 году Норман Погсон предложил следующую формализацию шкалы звёздных величин, ставшую общепринятой:
где m — звёздные величины объектов, L — освещённости от объектов. Такое определение соответствует падению светового потока в 100 раз при увеличении звёздной величины на 5 единиц.
Следующие свойства помогают пользоваться видимыми звёздными величинами на практике:
- Увеличению светового потока в 100 раз соответствует уменьшение видимой звёздной величины ровно на 5 единиц.
- Уменьшение звёздной величины на одну единицу означает увеличение светового потока.
Данная формула даёт возможность определить только разницу звёздных величин, но не сами величины.
Видимые звездные величины некоторых небесных тел
Солнце: -26,73
Луна (в полнолуние): -12,74
Венера (в максимуме блеска): -4,67
Юпитер (в максимуме блеска): -2,91
Сириус: -1,44
Вега: 0,03
Самые слабые звезды, видимые невооруженным глазом: около 6,0
Солнце с расстояния 100 световых лет: 7,30
Проксима Центавра: 11,05
Самый яркий квазар: 12,9
Самые слабые объекты, снимки которых получены телескопом «Хаббл»: 31,5
Источник
Размеры звезд
Главными источниками света во Вселенной являются звезды. Более того, основной фабрикой энергии для жизни на Земле выступает ближайшая к нам звезда — Солнце. Многие из нас знают, насколько ничтожна наша голубая планета по сравнению с могучим светилом. Однако, каждый раз вспоминая соотношение объемов этих двух небесных тел невозможно не удивляться. Вдумайтесь, Солнце больше Земли более чем в миллион раз! Светила относятся к крупнейшим однофазным объектам космоса, но насколько могут разниться размеры звезд?
Обманчивые точки на небе
Взглянув на ночное небо каждый из нас может поразиться бесчисленному количеству светящихся точек. Будто на черной небесной глазури рассыпали мириады различных по размеру, светимости и цвету жемчугов. Смотря на верх ночью кажется, что все звездочки одного размера, за исключением планет, естественно. Условимся, что мы имеем некий компактный космический корабль, внешне похожий на истребитель. Он будет оснащен двигателем будущего, которому для работы хватит обычных по объему баков самолета и имя мы ему дадим незамысловатое — «Одиссей».
Так звезда или нет?
И так, наш «Одиссей» выходит на орбиту двойной звезды Глизе 229. Она находится всего в 19 световых годах от Солнца. Нас интересует Глизе 229 В, объект внешне меньше даже Юпитера. Мы задаем параметры в компьютер для выхода на орбиту. Но вдруг внезапно автопилот предупреждает нас, что корабль стремительно падает и введенные вручную данные ложны. Компьютер спешно корректирует тягу, да не чуть-чуть, а в разы. Вскоре выясняется, что Глизе 229 В хоть и меньше по геометрическим размерам чем Юпитер, но в 25 раз его тяжелее.
До настоящего момента идут споры, относить ли к звездам непонятные объекты, подобные коричневым карликам? В наши дни под ними подразумевают водородную субзвезду с размерами в диапазоне от 0,012 до 0,0767 масс Солнца. Они сопоставимы с размерами Юпитера. В недрах коричневых карликов идут термоядерные процессы, так же, как и в звездах. Но выделение тепла идет в основном за счет реакции слияния изотопов легких ядер таких как литий, бериллий, бор, дейтерий. Вклад классического протонного термоядерного синтеза в общее тепловыделение невелико. Считается, что на коричневые карлики приходится большая часть звезд в космосе. Некоторые астрономы считают, что немаленькая доля темной материи может приходиться как раз на коричневые карлики. Ну что ж, летим дальше!
От самых маленьких
Зададимся вопросом, какие же размеры имеют самые маленькие члены этого класса космических объектов? Мы даем команду бортовому компьютеру лететь к ближайшей нейтронной звезде. Гиперскачок и вуаля, мы подлетаем к крохотной звезде со странным названием — RX J1856.5-3754.
«Одиссей» завис высоко над поверхностью крохи, которая имеет диаметр всего 10-20 километров, но наши двигатели неистово набирают скорость, а информация с экранов говорит, будто мы на орбите Солнца! И здесь нас ждет первая неожиданность! Наименьшие представители звездного семейства, имеют диаметр порядка 15 километров. Но их масса превышает Солнечную. Только представьте, сколь плотным объектом будет нейтронная звезда. После элементарных математических расчетов становится ясно, что компактность упаковки вещества там превышает таковую атомного ядра.
Нейтронные звезды
Мы набираемся смелости и спускаемся ниже, чтобы лучше рассмотреть звезду, но в кабине начинает бить тревога, предупреждая нас о колоссальном магнитном поле.
Но это все известные факты. А вот есть еще одно экзотическое свойство нейтронных звезд. И связано оно в первую очередь с релятивистскими эффектами, суть которого заключается в том, что если вы посмотрите на нейтронную звезду с любого угла (сверху, снизу или перпендикулярно оси вращения) то увидите вы больше 50 % общей площади поверхности! В голове с трудом укладывается. Если этот эффект перенести на нашу планету, то вы смогли бы видеть то, что находится за горизонтом. В будущих статьях мы обязательно вернемся и к этому феномену, и ко многим другим поразительным явлениям. И для того, чтобы лучше их понять, разберем их на пальцах. Нейтронные звезды — это «скелеты» некогда живших звезд, у них нет источника энергии. Они скорее похожи на гигантские аккумуляторы, которые безвозвратно теряют энергию. Хорошо, пора взглянуть на еще один класс псевдозвезд.
Звезда ван Маанена
«Одиссей» выходит на орбиту Звезды ван Маанена, ближайшего белого карлика в 14,1 световых годах от Солнца. Удручающее зрелище. Мы видим своего рода «труп» — остатки проэволюционировавшего светила. Размеры белых карликов не превышают одной сотой Солнечной, а масса сопоставима с ним. Белый карлик — это тусклое ядро погибшей звезды, которое светит лишь за счет остывания своего плазменного вещества. Между белыми карликами и нашим Солнцем есть один из самых крупных по численности составляющих звезд класс — красные карлики. Команда компьютеру, и мы в мгновение оказываемся на орбите Проксимы Центавра.
Небольшой красной звезде, понуро светящейся в безграничном космосе. Размеры и масса таких звезд не превышает лишь трети, а светимость в тысячи раз меньше Солнечной.
По мнению многих астрономов красные карлики составляют самый многочисленный класс «настоящих» звезд во Вселенной. Дело в том, что все вышеперечисленные звезды, на самом деле по-настоящему ими не являются. Только в красных карликах проходят классические протонные термоядерные реакции, позволяющие им существовать сотни миллиардов лет.
Эта невзрачная звезда, очень вероятно, намного переживет Солнце, и если человечество захочет найти в космосе звезду, что сможет нас приютить после гибели родной звезды, то далеко ходить не придется. По меркам космоса, конечно.
От Солнца до красных сверхгигантов
И так, теперь мы говорим компьютеру показать нам желтые карлики. И выполняя наше требование он переносит нас домой. Да-да, наше Солнце является желтым карликом! А если точнее, то его спектральный класс G2V. Такой тип звезд не очень многочисленен во Вселенной. Звезды подобного рода имеют массу от 0,8 до 1,2 массы Солнца. После того как подобные нашему светилу звезды израсходуют водородное топливо, их размер увеличивается, и они становятся красными субгигантами и гигантами. Интересного мало и требуем от «Одиссея» продолжения банкета.
Бетельгейзе
Мы оказываемся на орбите Бетельгейзе, расположенной в 500 световых годах от дома, на уровне 19 астрономических едениц от центра звезды. Глазам предстает неописуемая картина. Находясь от ядра этой звезды так же далеко как Уран от ядра Солнца мы видим, что красный диск звезды чуть ли не в сотни раз превосходит размеры Солнца, а цвет ее красный. Умирающая звезда. Если перевести возраст звезд на человеческую жизнь, то Солнцу было бы чуть за сорок лет. Бетельгейзе же уже старичок, доживающий свой век. Мы увлекаемся завораживающим видом, компьютер предупреждает нас, что нужно срочно покинуть пределы звезды, так как по данным спектральных наблюдений совсем скоро звезда будет светить ярче, что может навредить нашему маленькому кораблю. Красные гиганты нестабильны и их излучение может сильно варьироваться.
Альнитак
Но если такие красные «толстяки» представляют собой уже престарелые звезды, то голубые гиганты и сверхгиганты очень даже молодые звезды. Корабль выходит на орбиту Альнитака, голубого гиганта в созвездии Ориона, повисшей в черном пространстве в 800 световых годах от Земли. Компьютер нас предупреждает, что смотреть на эту звезду можно только через видеокамеру со специальными фильтрами, так как ее светимость в 35 тысяч раз больше Солнечной! На самом деле голубые гиганты настолько горячи, что даже не успевают прожить жизнь по звездным меркам. Если желтые карлики доживают до 10 миллиардов лет, а красные теоретически могут протянуть и до 100, то голубые гиганты и сверхгиганты в буквальном смысле сгорают в мгновение ока. Что такое для звезды жизнь в 10 — 50 миллионов лет? Не смотря на их грозное название размеры более чем скромные. Всего-то не более 25 Солнечных радиусов. Радиус Альнитака в 18 раз больше Солнечного, так же, как и масса.
Антарес
На просторах бесконечного космоса есть настоящие мастодонты в виде сверхгигантов. Покорный «Одиссей» переносит нас на высокую орбиту Антареса, ярчайшей звезды в созвездии скорпиона, в 600 световых годах от Солнца. Чтобы лучшее ее рассмотреть просим компьютер перейти на расстояние в 1,4 астрономических единицы от ядра, так сказать с запасом. Но система протестует, уверяя нас, что мы окажемся под поверхностью звезды. Да как так? Мы же будем на уровне эквивалента орбиты Марса от ядра Антареса. Но оказывается, что радиус красных сверхгигантов превышает Солнечный порой в 800 раз. Но масса Антареса всего лишь в 12,4 раза больше Солнечной, его газ очень разряжен.
UY Щита
Перед завершением нашей экскурсии мы просим перенести «Одиссей» к самой большой звезде, известной на данный момент. И мы выходим на орбиту UY Щита, на таком расстоянии от ядра, на котором находится Сатурн от Солнца. И все же почти все поле нашего зрения затмевает красный гигантский диск звезды, которая в 1700 раз больше Солнца по радиусу, но всего в 40 раз тяжелее. Если бы мы поместили эту звезду в центр Солнечной системы, то она поглотила все планеты вплоть до Юпитера. Если сжать Землю до размеров сантиметра, то UY Щита в том же масштабе была почти 2 километра!
Что в итоге?
Подводя итог важно отметить, что как масса, так и геометрические размеры звезд могут сильно отличаться. Одни обладают невообразимой плотностью, другие же наоборот, сильно разряжены. Звезды очень разнятся по светимости и цвету, температуре и срокам жизни. На размер звезд влияет сочетание двух сил — сила тяготения, что пытается сжать звезду, и давление разогретого внутри газа. В настоящее время теория эволюции звезд далека от своего совершенства.
Астрофизики не могут дать внятного ответа на банальный вопрос: «А на сколько большой и массивной может быть звезда?».
Конечно, есть фундаментальные ограничения, не позволяющие, например, существовать звезде размером с галактику. Звезды с массой от 8 до около 150 Солнечных проживают жизнь быстро, из-за того, что температура в их недрах колоссальна, и термоядерные реакции идут стремительно. Совсем недавно считалось, что пределом массы звезды является 150 масс Солнца. Но недавние исследования космоса показали, что и 300 Солнечных масс для звезды может быть не предел! В таких звездах кроме молниеносных реакций термоядерного синтеза возникают дополнительные флуктуации из-за взаимодействия пар частица-античастица. Такие супергигаганты могут взрываться еще до возникновения классического коллапса, попросту проходя процесс аннигиляции. Но все это пока теория.
Очень многое осталось за рамками этого повествования. Но всему свое время. А мы, пораженные столь разнообразными размерами звезд, усталые и довольные, даем команду «Одиссею» возвращаться на крохотную, но столь родную Землю.
Источник
Журнал «Все о Космосе»
Солнце
Снимок Солнца, через инфракрасный фильтр
Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также водорода и гелия. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается свыше 100 миллиардов звёзд. При этом 85 % звёзд нашей галактики — это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём красные карлики). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза. В случае Солнца подавляющая часть энергии вырабатывается при синтезе гелия из водорода.
Удалённость Солнца от Земли — 149 597 870,691 км — приблизительно равна астрономической единице, а видимый угловой диаметр при наблюдении с Земли, как и у Луны, — чуть больше полградуса (31–32 минуты). Солнце находится на расстоянии около 26 000 световых лет от центра Млечного Пути и вращается вокруг него, делая один оборот более чем за 200 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца равна 217 км/с — таким образом, оно проходит один световой год за 1400 земных лет, а одну астрономическую единицу — за 8 земных суток. В настоящее время Солнце находится во внутреннем крае рукава Ориона нашей Галактики, между рукавом Персея и рукавом Стрельца, в так называемом «Местном межзвёздном облаке» — области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность «Местном пузыре» — зоне рассеянного высокотемпературного межзвёздного газа. Из звёзд, принадлежащих 50 самым близким звёздным системам в пределах 17 световых лет, известным в настоящее время, Солнце является четвёртой по яркости звездой (его абсолютная звёздная величина +4,83m)
Общие сведения
Солнце принадлежит к первому типу звёздного населения. Одна из распространённых теорий возникновения Солнечной системы предполагает, что её формирование было вызвано взрывами одной или нескольких сверхновых звёзд. Это предположение основано, в частности, на том, что в веществе Солнечной системы содержится аномально большая доля золота и урана, которые могли бы быть результатом эндотермических реакций, вызванных этим взрывом, или ядерного превращения элементов путём поглощения нейтронов веществом массивной звезды второго поколения.
Земля и Солнце (фотомонтаж с сохранением соотношения размеров)
Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м² (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Так, растения, используя её посредством фотосинтеза, синтезируют органические соединения с выделением кислорода. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями) или выполнения другой полезной работы. Путём фотосинтеза была в далёком прошлом получена и энергия, запасённая в нефти и других видах ископаемого топлива.
Сравнительные размеры Солнца при наблюдении из окрестностей хорошо известных тел Солнечной системы
Анимация вращения Солнца в ультрафиолете
Земля проходит через точку афелия в начале июля и удаляется от Солнца на расстояние 152 млн км, а через точку перигелия — в начале января и приближается к Солнцу на расстояние 147 млн км. Видимый диаметр Солнца между этими двумя датами меняется на 3 %. Поскольку разница в расстоянии составляет примерно 5 млн км, то в афелии Земля получает примерно на 7 % меньше тепла. Таким образом, зимы в северном полушарии немного теплее, чем в южном, а лето немного прохладнее.
Солнце — магнитоактивная звезда. Она обладает сильным магнитным полем, напряжённость которого меняется со временем, и которое меняет направление приблизительно каждые 11 лет, во время солнечного максимума. Вариации магнитного поля Солнца вызывают разнообразные эффекты, совокупность которых называется солнечной активностью и включает в себя такие явления, как солнечные пятна, солнечные вспышки, вариации солнечного ветра и т. д., а на Земле вызывает полярные сияния в высоких и средних широтах и геомагнитные бури, которые негативно сказываются на работе средств связи, средств передачи электроэнергии, а также негативно воздействует на живые организмы (вызывают головную боль и плохое самочувствие у людей, чувствительных к магнитным бурям). Предполагается, что солнечная активность играла большую роль в формировании и развитии Солнечной системы. Она также оказывает влияние на структуру земной атмосферы.
Жизненный цикл
Солнце является молодой звездой третьего поколения (популяции I) с высоким содержанием металлов, то есть оно образовалось из останков звёзд первого и второго поколений (соответственно популяций III и II).
Текущий возраст Солнца (точнее время его существования на главной последовательности), оценённый с помощью компьютерных моделей звёздной эволюции, равен приблизительно 4,57 млрд лет.
Считается, что Солнце сформировалось примерно 4,59 млрд лет назад, когда быстрое сжатие под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа звёздного населения типа T Тельца.
Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. На современном этапе в солнечном ядре идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн тонн вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируется солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.
По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы своего водородного горючего, оно становится всё горячее, а его светимость медленно, но неуклонно увеличивается. К возрасту 5,6 млрд лет, через 1,1 млрд лет от настоящего времени, наше дневное светило будет ярче на 11 %, чем сейчас. Увеличение светимости Солнца в этот период таково, что поверхность Земли вследствие парникового эффекта, индуцированного парами воды, будет слишком горяча для того, чтобы на ней могла существовать жизнь в её современном понимании. Несмотря на это, жизнь может остаться в океанах и полярных областях. По мнению профессора Пенсильванского университета Дж. Кастинга, исчезновение жизни из-за повышения температуры, вызванным увеличением яркости Солнца, возможно ещё до стадии красного гиганта, через 1 миллиард лет. К этому моменту Солнце достигнет максимальной поверхностной температуры (5800 К) за всё своё время эволюции в прошлом и будущем вплоть до фазы белого карлика; на следующих стадиях температура фотосферы будет меньше.
К возрасту 8 млрд лет (через 3,5 млрд лет от настоящего времени) яркость Солнца возрастёт на 40 %. К тому времени условия на Земле будут подобны условиям на Венере сегодня: вода с поверхности планеты исчезнет полностью и улетучится в космос. Эта катастрофа приведёт к окончательному уничтожению всех форм жизни на Земле. По мере того как водородное топливо в солнечном ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться.
Когда Солнце достигнет возраста 10,9 млрд лет (6,4 млрд лет от настоящего времени), водород в ядре кончится, а образовавшийся из него гелий, ещё неспособный в этих условиях к термоядерному горению, станет сжиматься и уплотняться ввиду прекращения ранее поддерживавшего его «на весу» потока энергии из центра. Горение водорода будет продолжаться в тонком внешнем слое ядра. На этой стадии радиус Солнца достигнет 1,59 R☉, а светимость будет в 2,21 раза больше современной. В течение следующих 0,7 млрд лет Солнце будет относительно быстро расширяться (до 2,3 R☉), сохраняя почти постоянную светимость, а его температура упадёт с 5500 K до 4900 K. В конце этой фазы, достигнув возраста 11,6 млрд лет (через 7 млрд лет от настоящего времени) Солнце станет субгигантом.
Анимация вращения Солнца в инфракрасном диапазоне
Данная фаза существования Солнца продлится лишь около десяти миллионов лет. Когда температура в ядре достигнет 100 млн К, произойдёт гелиевая вспышка, и начнётся термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. Солнце, получившее новый источник энергии, уменьшится в размере до 9,5 R☉. Спустя 100—110 млн лет, когда запасы гелия иссякнут, повторится бурное расширение внешних оболочек звезды, и она снова станет красным гигантом. Этот период существования Солнца будет сопровождаться мощными вспышками, временами его светимость будет превышать современный уровень в 5200 раз. Это будет происходить от того, что в термоядерную реакцию будут вступать ранее не затронутые остатки гелия. В таком состоянии Солнце просуществует около 20 млн лет.
Масса Солнца недостаточна для того, чтобы его эволюция завершилась взрывом сверхновой. После того как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана, и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированный из ядра Солнца белый карлик, очень горячий и плотный объект, но размером только с Землю. Изначально этот белый карлик будет иметь температуру поверхности 120 000 К и светимость 3500 солнечных, но в течение многих миллионов и миллиардов лет будет остывать и угасать. Данный жизненный цикл считается типичным для звёзд малой и средней массы.
Структура
Внутреннее строение Солнца
Солнечное ядро
Строение Солнца. В центре Солнца находится солнечное ядро. Фотосфера — это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только во время полного солнечного затмения.
6,6 раз выше плотности самого плотного металла на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 млн К. Анализ данных, проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в излучение превращаются 4,26 млн тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца — 2·1027 тонн. Мощность, выделяемая различными зонами ядра, зависит от их расстояния до центра Солнца. В самом центре она достигает, согласно теоретическим оценкам, 276,5 Вт/м³. Таким образом, на объём человека (0,05 м³) приходится выделение тепла 285 Ккал/день (1192 кДж/день), что на порядок меньше удельного тепловыделения живого бодрствующего человека. Удельное же тепловыделение всего объёма Солнца ещё на два порядка меньше. Благодаря столь скромному удельному энерговыделению запасов «топлива» (водорода) хватает на несколько миллиардов лет поддержания термоядерной реакции.
Ядро — единственное место на Солнце, в котором энергия и тепло получается от термоядерной реакции, остальная часть звезды нагрета этой энергией. Вся энергия ядра последовательно проходит сквозь слои, вплоть до фотосферы, с которой излучается в виде солнечного света и кинетической энергии.
Зона лучистого переноса
Над ядром, на расстояниях примерно от 0,2–0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра, находится зона лучистого переноса. В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет.
Перепад температур в данной зоне составляет от 2 млн К на поверхности до 7 млн К в глубине. При этом в данной зоне отсутствуют макроскопические конвекционные движения, что говорит о том, что адиабатический градиент температуры в ней больше, чем градиент лучевого равновесия. Для сравнения, в красных карликах давление не может препятствовать перемешиванию вещества и зона конвекции начинается сразу от ядра. Плотность вещества в данной зоне колеблется от 0,2 (на поверхности) до 20 (в глубине) плотностей воды.
Конвективная зона Солнца
Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества. С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.
По современным данным, роль конвективной зоны в физике солнечных процессов исключительно велика, так как именно в ней зарождаются разнообразные движения солнечного вещества. Термики в конвективной зоне вызывают на поверхности гранулы (которые по сути являются вершинами термиков) и супергрануляцию. Скорость потоков составляет в среднем 1–2 км/с, а максимальные её значения достигают 6 км/с. Время жизни гранулы составляет 10–15 минут, что сопоставимо по времени с периодом, за который газ может однократно обойти вокруг гранулы. Следовательно, термики в конвективной зоне находятся в условиях, резко отличных от условий, способствующих возникновению ячеек Бенара. Также движения в этой зоне вызывают эффект магнитного динамо и, соответственно, порождают магнитное поле, имеющее сложную структуру.
Атмосфера Солнца
Фотосфера
Изображение поверхности и короны Солнца, полученное Солнечным оптическим телескопом (SOT) на борту спутника Hinode. Получено 12 января 2007 года.
Хромосфера
Хромосфера (от др.-греч. χρομα — цвет, σφαίρα — шар, сфера) — внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в видимом спектре хромосферы доминирует красная H-альфа линия излучения водорода из серии Бальмера. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхности, из неё постоянно происходят горячие выбросы, называемые спикулами. Число спикул, наблюдаемых одновременно, составляет в среднем 60–70 тыс. Из-за этого в конце XIX века итальянский астроном Секки, наблюдая хромосферу в телескоп, сравнил её с горящими прериями. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 4000 до 20 000 К (область температур больше 10 000 К относительно невелика).
Плотность хромосферы невелика, поэтому яркость недостаточна для наблюдения в обычных условиях. Но при полном солнечном затмении, когда Луна закрывает яркую фотосферу, расположенная над ней хромосфера становится видимой и светится красным цветом. Её можно также наблюдать в любое время с помощью специальных узкополосных оптических фильтров. Кроме уже упомянутой линии H-альфа с длиной волны 656,3 нм, фильтр также может быть настроен на линии Ca II K (393,4 нм) и Ca II H (396,8 нм). Основные хромосферные структуры, которые видны в этих линиях: хромосферная сетка, покрывающая всю поверхность Солнца и состоящая из линий, окружающих ячейки супергрануляции размером до 30 тыс. км в поперечнике;
флоккулы — светлые облакоподобные образования, чаще всего приуроченные к районам с сильными магнитными полями — активным областям, часто окружают солнечные пятна;
волокна и волоконца (фибриллы) — тёмные линии различной ширины и протяжённости, как и флоккулы, часто встречаются в активных областях.
Корона
Солнечная корона во время солнечного затмения 1999 года.
Снимок Солнца 9 апреля 2013 года. Иллюстрация NASA/SDO.
Солнечный ветер
Искажение магнитного поля Земли под действием солнечного ветра
В среднем Солнце излучает с ветром около 1,3·1036 частиц в секунду. Следовательно, полная потеря массы Солнцем (на данный вид излучения) составляет за год 2–3·10−14 солнечных масс. Потеря за 150 млн лет эквивалентна земной массе. Многие природные явления на Земле связаны с возмущениями в солнечном ветре, в том числе геомагнитные бури и полярные сияния.
Первые прямые измерения характеристик солнечного ветра были проведены в январе 1959 года советской станцией «Луна-1». Наблюдения проводились с помощью сцинтилляционного счётчика и газового ионизационного детектора. Три года спустя такие же измерения были проведены американскими учёными с помощью станции «Маринер-2». В конце 1990-х с помощью Ультрафиолетового коронального спектрометра (англ. Ultraviolet Coronal Spectrometer (UVCS)) на борту спутника SOHO были проведены наблюдения областей возникновения быстрого солнечного ветра на солнечных полюсах.
Магнитные поля Солнца
Происхождение и виды солнечных магнитных полей
Корональные выбросы массы на Солнце. Струи плазмы вытянуты вдоль арок магнитного поля
Крупномасштабное (общее или глобальное) магнитное поле с характерными размерами, сравнимыми с размерами Солнца, имеет среднюю напряжённость на уровне фотосферы порядка нескольких гаусс. В минимуме цикла солнечной активности оно имеет приблизительно дипольную структуру, при этом напряжённость поля на полюсах Солнца максимальна. Затем, по мере приближения к максимуму цикла солнечной активности, напряжённости поля на полюсах постепенно уменьшаются и через один-два года после максимума цикла становятся равными нулю (так называемая «переполюсовка солнечного магнитного поля»). На этой фазе общее магнитное поле Солнца не исчезает полностью, но его структура носит не дипольный, а квадрупольный характер. После этого напряжённость солнечного диполя снова возрастает, но при этом он имеет уже другую полярность. Таким образом, полный цикл изменения общего магнитного поля Солнца, с учётом перемены знака, равен удвоенной продолжительности 11-летнего цикла солнечной активности — примерно 22 года («закон Хейла»).
Средне- и мелкомасштабные (локальные) поля Солнца отличаются значительно бо́льшими напряжённостями полей и меньшей регулярностью. Самые мощные магнитные поля (до нескольких тысяч гаусс) наблюдаются в группах солнечных пятен в максимуме солнечного цикла. При этом типична ситуация, когда магнитное поле пятен в западной («головной») части данной группы, в том числе самого крупного пятна (т. н. «лидера группы») совпадает с полярностью общего магнитного поля на соответствующем полюсе Солнца («p-полярностью»), а в восточной («хвостовой») части — противоположна ему («f-полярность»). Таким образом, магнитные поля пятен имеют, как правило, биполярную или мультиполярную структуру. В фотосфере также наблюдаются униполярные области магнитного поля, которые, в отличие от групп солнечных пятен, располагаются ближе к полюсам и имеют значительно меньшую напряжённость магнитного поля (несколько гаусс), но большую площадь и продолжительность жизни (до нескольких оборотов Солнца).
Согласно современным представлениям, разделяемым большей частью исследователей, магнитное поле Солнца генерируется в нижней части конвективной зоны с помощью механизма гидромагнитного конвективного динамо, а затем всплывает в фотосферу под воздействием магнитной плавучести. Этим же механизмом объясняется 22-летняя цикличность солнечного магнитного поля.
Существуют также некоторые указания на наличие первичного (то есть возникшего вместе с Солнцем) или, по крайней мере, очень долгоживущего магнитного поля ниже дна конвективной зоны — в лучистой зоне и ядре Солнца.
Солнечная активность и солнечный цикл
Комплекс явлений, вызванных генерацией сильных магнитных полей на Солнце, называют солнечной активностью. Эти поля проявляются в фотосфере как солнечные пятна и вызывают такие явления, как солнечные вспышки, генерацию потоков ускоренных частиц, изменения в уровнях электромагнитного излучения Солнца в различных диапазонах, корональные выбросы массы, возмущения солнечного ветра, вариации потоков галактических космических лучей (Форбуш-эффект) и т. д.
С солнечной активностью связаны также вариации геомагнитной активности (в том числе и магнитные бури), которые являются следствием достигающих Земли возмущений межпланетной среды, вызванных, в свою очередь, активными явлениями на Солнце.
Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности является число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с характерным периодом, примерно равным 11 годам (так называемый «цикл солнечной активности» или «одиннадцатилетний цикл»). Этот период выдерживается неточно и в XX веке был ближе к 10 годам, а за последние 300 лет варьировался примерно от 7 до 17 лет. Циклам солнечной активности принято приписывать последовательные номера, начиная от условно выбранного первого цикла, максимум которого был в 1761 году. В 2000 году наблюдался максимум 23-го цикла солнечной активности.
Существуют также вариации солнечной активности большей длительности. Так, во второй половине XVII века солнечная активность и, в частности, её одиннадцатилетний цикл были сильно ослаблены (минимум Маундера). В эту же эпоху в Европе отмечалось снижение среднегодовых температур (т. н. Малый ледниковый период), что, возможно, вызвано воздействием солнечной активности на климат Земли. Существует также точка зрения, что глобальное потепление до некоторой степени вызвано повышением глобального уровня солнечной активности во второй половине XX века. Тем не менее, механизмы такого воздействия пока ещё недостаточно ясны.
Самая большая группа солнечных пятен за всю историю наблюдений возникла в апреле 1947 года в южном полушарии Солнца. Её максимальная длина составляла 300 000 км, максимальная ширина — 145 000 км, а максимальная площадь превышала 6000 миллионных долей площади полусферы (мдп) Солнца, что примерно в 36 раз больше площади поверхности Земли. Группа была легко видна невооружённым глазом в предзакатные часы. Согласно каталогу Пулковской обсерватории, эта группа (№ 87 за 1947 год) проходила по видимой с Земли полусфере Солнца с 31 марта по 14 апреля 1947 года, максимальная её площадь составила 6761 мдп, а максимальная площадь наибольшего пятна в группе — 5055 мдп; количество пятен в группе достигало 172.
Солнце как переменная звезда
Так как магнитная активность Солнца подвержена периодическим изменениям, а вместе с этим изменяется и его светимость, его можно рассматривать как переменную звезду. В годы максимума активности Солнце ярче, чем в годы минимума. Амплитуда изменений солнечной постоянной достигает 0,1 % (в абсолютных значениях это 1 Вт/м², тогда как среднее значение солнечной постоянной — 1361,5 Вт/м²).
Также некоторые исследователи относят Солнце к классу низкоактивных переменных звёзд типа BY Дракона. Поверхность таких звёзд покрыта пятнами (до 30 % от общей площади), и за счёт вращения звёзд наблюдаются изменения их блеска. У Солнца такая переменность очень слабая.
Теоретические проблемы
Проблема солнечных нейтрино
Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики. Положение осложняется тем, что нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом, и создание нейтринного детектора, который способен достаточно точно измерить поток нейтрино даже такой мощности, как исходящий от Солнца — технически сложная и дорогостоящая задача.
Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую термоядерную активность (а, значит, и температуру) в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино). Сегодня понятно, что правильным, скорее всего, является второй путь.
Для того, чтобы имел место переход одного сорта нейтрино в другой — то есть происходили так называемые нейтринные осцилляции — нейтрино должно иметь отличную от нуля массу. В настоящее время установлено, что это действительно так. В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов, и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»). Таким образом, в настоящее время проблема солнечных нейтрино, по-видимому, решена.
Проблема нагрева короны
Над видимой поверхностью Солнца (фотосферой), имеющей температуру около 6000 К, находится солнечная корона с температурой более 1 000 000 К. Можно показать, что прямого потока тепла из фотосферы недостаточно для того, чтобы привести к такой высокой температуре короны.
Предполагается, что энергия для нагрева короны поставляется турбулентными движениями подфотосферной конвективной зоны. При этом для переноса энергии в корону предложено два механизма. Во-первых, это волновое нагревание — звук и магнитогидродинамические волны, генерируемые в турбулентной конвективной зоне, распространяются в корону и там рассеиваются, при этом их энергия переходит в тепловую энергию корональной плазмы. Альтернативный механизм — магнитное нагревание, при котором магнитная энергия, непрерывно генерируемая фотосферными движениями, высвобождается путём пересоединения магнитного поля в форме больших солнечных вспышек или же большого количества мелких вспышек.
В настоящий момент неясно, какой тип волн обеспечивает эффективный механизм нагрева короны. Можно показать, что все волны, кроме магнитогидродинамических альфвеновских, рассеиваются или отражаются до того, как достигнут короны, диссипация же альфвеновских волн в короне затруднена. Поэтому современные исследователи сконцентрировали основное внимание на механизм нагревания с помощью солнечных вспышек. Один из возможных кандидатов в источники нагрева короны — непрерывно происходящие мелкомасштабные вспышки, хотя окончательная ясность в этом вопросе ещё не достигнута.
Исследования Солнца
Космические исследования Солнца
Атмосфера Земли препятствует прохождению многих видов электромагнитного излучения из космоса. Кроме того, даже в видимой части спектра, для которой атмосфера довольно прозрачна, изображения космических объектов могут искажаться её колебаниями, поэтому наблюдения этих объектов лучше производить на больших высотах (в высокогорных обсерваториях, с помощью приборов, поднятых в верхние слои атмосферы, и т. п.) или даже из космоса. Верно это и в отношении наблюдений Солнца. Если нужно получить очень чёткое изображение Солнца, исследовать его ультрафиолетовое или рентгеновское излучение, точно измерить солнечную постоянную, то наблюдения и съёмки проводят с аэростатов, ракет, спутников и космических станций.
Фактически первые внеатмосферные наблюдения Солнца были проведены вторым искусственным спутником Земли «Спутник-2» в 1957 году. Наблюдения проводились в нескольких спектральных диапазонах от 1 до 120 Å, выделяемых при помощи органических и металлических фильтров. Обнаружение солнечного ветра опытным путём было осуществлено в 1959 году с помощью ионных ловушек космических аппаратов «Луна-1» и «Луна-2», экспериментами на которых руководил Константин Грингауз.
Другими космическими аппаратами, исследовавшими солнечный ветер, были созданные NASA спутники серии «Пионер» с номерами 5–9, запущенные между 1960 и 1968 годами. Эти спутники обращались вокруг Солнца вблизи орбиты Земли и выполнили детальные измерения параметров солнечного ветра.
В 1970-е годы в рамках совместного проекта США и Германии были запущены спутники «Гелиос-I» и «Гелиос-II» (англ. Helios). Они находились на гелиоцентрической орбите, перигелий которой лежал внутри орбиты Меркурия, примерно в 40 млн км от Солнца. Эти аппараты помогли получить новые данные о солнечном ветре. В 1973 году вступила в строй космическая солнечная обсерватория Apollo Telescope Mount на космической станции Skylab. С помощью этой обсерватории были сделаны первые наблюдения солнечной переходной области и ультрафиолетового излучения солнечной короны в динамическом режиме. С её помощью были также открыты корональные выбросы массы и корональные дыры, которые, как сейчас известно, тесно связаны с солнечным ветром.
В 1980 году NASA вывело на околоземную орбиту космический зонд Solar Maximum Mission (SolarMax), который был предназначен для наблюдений ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения от солнечных вспышек в период высокой солнечной активности. Однако всего через несколько месяцев после запуска из-за неисправности электроники зонд перешёл в пассивный режим. В 1984 году космическая экспедиция STS-41C на шаттле «Челленджер» устранила неисправность зонда и снова запустила его на орбиту. После этого, до своего входа в атмосферу в июне 1989 года, аппарат получил тысячи снимков солнечной короны. Его измерения помогли также выяснить, что мощность полного излучения Солнца за полтора года наблюдений изменилась только на 0,01 %.
Японский спутник «Yohkoh» (яп. ようこう ё:ко. «солнечный свет»), запущенный в 1991 году, проводил наблюдения излучения Солнца в рентгеновском диапазоне. Полученные им данные помогли учёным идентифицировать несколько разных типов солнечных вспышек и показали, что корона даже вдали от областей максимальной активности намного более динамична, чем принято было считать. «Ёко» функционировал в течение полного солнечного цикла и перешёл в пассивный режим во время солнечного затмения 2001 года, когда он потерял свою ориентировку на Солнце. В 2005 году спутник вошёл в атмосферу и был разрушен.
Очень важной для исследований Солнца является программа SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory), организованная совместно Европейским космическим агентством и NASA. Запущенный 2 декабря 1995 года космический аппарат SOHO вместо планируемых двух лет работает уже более десяти (2009). Он оказался настолько полезным, что 11 февраля 2010 года был запущен следующий, аналогичный космический аппарат SDO (Solar Dynamics Observatory). SOHO находится в точке Лагранжа между Землёй и Солнцем и с момента запуска передаёт на Землю изображения Солнца в различных диапазонах длин волн. Кроме своей основной задачи — исследования Солнца — SOHO исследовал большое количество комет, в основном очень малых, которые испаряются по мере своего приближения к Солнцу.
Изображение южного полюса Солнца, полученное в ходе миссии STEREO. В правой нижней части снимка виден выброс массы
Состав солнечной фотосферы хорошо изучен с помощью спектроскопических методов, однако данных о соотношении элементов в глубинных слоях Солнца гораздо меньше. Для того, чтобы получить прямые данные о составе Солнца, был запущен космический аппарат Genesis. Он вернулся на Землю в 2004 году, однако был повреждён при приземлении из-за неисправности одного из датчиков ускорения и не раскрывшегося вследствие этого парашюта. Несмотря на сильные повреждения, возвращаемый модуль доставил на Землю несколько пригодных для изучения образцов солнечного ветра.
22 сентября 2006 года на орбиту Земли была выведена солнечная обсерватория Hinode (Solar-B). Обсерватория создана в японском институте ISAS, где разрабатывалась обсерватория Yohkoh (Solar-A) и оснащена тремя инструментами: SOT — солнечный оптический телескоп, XRT — рентгеновский телескоп и EIS — изображающий спектрометр ультрафиолетового диапазона. Основной задачей Hinode является исследование активных процессов в солнечной короне и установление их связи со структурой и динамикой магнитного поля Солнца.
В октябре 2006 года была запущена солнечная обсерватория STEREO. Она состоит из двух идентичных космических аппаратов на таких орбитах, что один из них постоянно отстаёт от Земли, а другой её обгоняет. Это позволяет получать стереоизображения Солнца и таких солнечных явлений, как корональные выбросы массы.
В январе 2009 года состоялся запуск российского спутника «Коронас-Фотон» с комплексом космических телескопов «Тесис». В состав обсерватории входит несколько телескопов и спектрогелиографов крайнего ультрафиолетового диапазона, а также коронограф широкого поля зрения, работающий в линии ионизованного гелия HeII 304 A. Целью миссии «Тесис» является исследование наиболее динамичных солнечных процессов (вспышек и корональных выбросов массы), а также круглосуточный мониторинг солнечной активности с целью раннего прогнозирования геомагнитных возмущений.
11 февраля 2010 года в США с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета-носитель Atlas V. Задача запуска — вывести на геостационарную орбиту новую солнечную обсерваторию SDO (Solar Dynamic Observatory).
Источник