Як влаштовано Сонце і коли воно згасне: спалахи, плями та загадки

Почалося все 4,6 мільярда років тому у «зірковій колисці» — хмарі газу розміром 300 на 50 світлових років. Колись цей газ входив до складу масивних зірок, що вибухнули як наднові. Потім газ охолонув і гравітація подолала внутрішній тиск хмари, внаслідок чого газопилова туманність почала розпадатися на окремі фрагменти, кожен із яких, закручуючи, стискався до власного центру. Один з цих шматків мав стати Сонцем.

Стискаючись, газ нагрівається, але, оскільки частина енергії випромінюється, подальшому ущільненню це не перешкоджає. Уявляючи собою плескату сферу розміром з орбіту Марса, протосонце вже яскраво світило. Щоправда, лише у тепловому діапазоні. Сяйво розжарених внутрішніх областей ще не пробивалося через хмари пилу. Трохи пізніше в центрі диска набрякла тьмяна багряна куля. У надрах зірки, що народжується, температура досягла мільйона кельвінів, і почалися термоядерні реакції. Але тільки-но почалися. Спочатку їхня інтенсивність була невелика, і зупинити стиск вони не могли.

Молоде Сонце було величезне – до сучасної орбіти Меркурія. Основним джерелом енергії залишалося гравітаційне стискування. Швидко «здуваючись» і твердіючи, світило, що дорослішає, викидало потужні потоки сонячного вітру, що розганяє до меж системи незатребувані залишки газу.

Опис зірки як кулі, що складається із стиснутого, розпеченого, іонізованого газу, дає помилкове уявлення про внутрішню структуру Сонця. Нічого подібного до того, що ми зазвичай розуміємо під «газом», у надрах світила немає. Серцевина зірки є твердою — навіть надтвердою! — речовина, аналогів якій у світі планет не знайти.

У холодної твердої матерії молекули зчеплені електронними оболонками. Сонячна ж речовина – маса ядер водню і гелію, що розпирається зсередини кулонівською силою (відштовхуванням однойменних зарядів) і скріплена лише зовнішнім тиском. Скріплена так надійно, що густина речовини досягає 150 тонн на кубічний метр. В результаті частки, набиті в тисячу разів щільніше, ніж це дозволяється класичною фізикою, навіть при температурі 14 мільйонів градусів менш рухливі, ніж молекули в складі кристала.

Якби зоряна матерія могла існувати при нормальних тиску та температурі, ми спостерігали б зливок незвичайного матеріалу, схожого на ті, з яких у фантастиці виготовлені інопланетні артефакти. Дуже важкого — всьомо важче за той самий об’єм золота — і непроникно чорного, що навіть поглинає випромінювання, для яких не стане перешкодою аналогічна товща свинцю. На Землі не знайшлося б ні інструменту, здатного його подряпати, ні машин, які б його деформувати.

Твердий водень, хімічно залишаючись неметалом, набуває багатьох властивостей металу. Зокрема відмінно проводить електричний струм (адже електрони не пов’язані з протонами). Але електропровідність – єдина слабкість «чорного водню». Матеріал сонячних надр практично не проводить тепло! Сили електростатичного відштовхування міцно утримують на місцях частки, не дозволяючи їм обмінюватися кінетичною енергією «традиційним способом».

Тверда серцевина займає половину об’єму Сонця і умовно ділиться на дві не мають чіткого розмежування зони: ядро , що має радіус 20-25% сонячного (тільки в цій зоні тиск достатньо для протікання термоядерних реакцій), і зону променистого перенесення . Через останню фотони, що народилися в ядрі, повільно і болісно протискуються до межі конвективної зони — аналогу мантії планет.

Матерія сонячної мантії є так само екзотичну субстанцію, як і «чорний водень» надр. Її можна назвати «рідким полум’ям» — причому термін виявиться напрочуд точним. Адже полум’я – струмені розжареного, іонізованого газу. У надрах Сонця він просто стиснутий до стану рідини — у глибинах щільної і в’язкої, як ртуть, вище за подібну до розплавленого каменю.

У конвективній зоні енергія переноситься рахунок перемішування породи. Нагрітий жаром ядра «рідкий вогонь» тече нагору, назустріч йому опускаються охолоджені маси. Цей рух упорядкований колонами конвекції — шестигранними призмами шириною 20 тисяч і висотою 200 тисяч кілометрів. Кожна з великих колон — «супергранул» — поділяється на менші стовпи по 5 тисяч кілометрів завширшки. А всередині них, у свою чергу, помітні «гранули» з діаметром від 500 до 1200 км. По осі гранул водень піднімається, а з граней стікає вниз.

У поверхні конвективна зона перетворюється на фотосферу — трехсоткилометровую товщу вже цілком звичайного за своїми фізичними властивостями рідкого водню. Це зона охолодження сонячної матерії. Енергія, що виділилася в твердому ядрі, виноситься випромінюванням. Зазвичай вказується, що температура фотосфери Сонця – 5800 К. Насправді ж поверхня Сонця нагріта лише до 4000 градусів, але крізь верхні шари водню пробивається світло від глибинних, більш розпечених.

Про сонячну атмосферу — хромосферу — досить сказати, що її щільність дозволяє водню залишатися рідким навіть за температури 4000 К. Але якщо у віддаленому майбутньому цю зону вдасться побачити зсередини об’єктивами жароміцної автоматичної станції, то не циклопічні стовпи спікул найбільше вразять спостерігача. Навіть буйство полум’я померкне перед руйнівною силою звуку, що трясе хромосферу. Над вирливою поверхнею зірки стоїть гул громових гуркотів і панує хаос ударних хвиль.

Ймовірно, саме звук (точної відповіді поки що не існує) розігріває до мільйона градусів сонячну корону — хмара плазми, що оточує світило. Протуберанці, що витягуються на мільйон і більше кілометрів, спостерігаються в цій галузі, іноді помилково вважаються «султанами вибухів». Насправді, це лише щільні згустки водню, захоплені магнітним полем.

За старих часів монархів нерідко порівнювали з Сонцем. Адже влада Сонця над нами безмежна. Воно практично монопольно постачає енергію. Тепло, необхідне збереження води у рідкій формі, отже, й у підтримки життя; світло, без якого неможливий фотосинтез; кисень, їжа, нафта, вугілля, газ, що з’явилися завдяки фотосинтезу, – все це дарується нам світилом … Це чудово, але породжує деяке занепокоєння. Своєю владою Сонце може розпорядитись і нам на шкоду.

У фільмі Денні Бойла «Ад» (2007) Сонце починає гаснути. Щоб запобігти новому льодовиковому періоду, на Сонці підривають величезну бомбу. Але глобальна катастрофа, спричинена сонячним спалахом та подальшим магнітним бурею, як у телефільмі «Підірване Сонце» (2013), — найбільш реалістичний сценарій. Маючи обертове ядро з провідного струму матеріалу, наша зірка, зрозуміло, має і магнітне поле, що змінює полярність раз на 22 роки. Але крім загального сонячного магнітного поля, кільцеві струми в глибині конвективної зони породжують ще й у тисячу разів потужніші поля. Саме вони відповідальні за появу сонячних плям, численних у періоди високої активності та практично не спостерігаються між ними.

«Плями» – групи фотосферних гранул зі зниженою до 4300 К температурою. Магнітні поля паралізують доставку нагрітої речовини конвективними колонами до поверхні фотосфери. З плямами, що плямують, Сонця кільцями магнітних силових ліній пов’язані і сонячні спалахи. Якщо два протиспрямовані поля замикаються коротко, виділяється енергія, еквівалентна вибуху 100 000 термоядерних бомб.

Сам собою термоядерний вибух для нас нешкідливий, адже Сонце знаходиться досить далеко. Але хромосферну блискавку, масштаби якої лежать поза людської уяви, супроводжує громовий гуркіт відповідної сили. Ударна хвиля зриває частину сонячної корони та вистрілює хмарою плазми у випадковому напрямку. Зазвичай у безпечному — спалахи найчастіше відбуваються біля полюсів. Але іноді потоки заряджених частинок руйнуються на Землю.

Спочатку удар приймає магнітосфера планети. Клачі сонячної плазми закручуються у радіаційних поясах. І електричний струм, що виникає, породжує коливання магнітних полів вже поблизу Землі. Це явище називають «магнітною бурею», хоча в більшості випадків це трохи помітний вітерець, що ледь реєструється приладами. Але кілька разів за сторіччя Сонце пробиває захист. Особливо важко довелося в 1859 році, коли навіть у тропіках полярні сяйва перетворювали ніч на день, а по телеграфних лініях замість депеш, що відстукуються ключем, передавалося зловісна нісенітниця. У протяжних електричних мережах магнітна буря може індукувати струми силою сотні ампер, порушуючи роботу систем енергопостачання, спалюючи устаткування, котрий іноді викликаючи аварії на газопроводах. Чому на газопроводах? Металева труба завдовжки сотні кілометрів — відмінний провідник.

Зминаючи першу лінію захисту Землі, потоки сонячних частинок можуть досягати іоносфери. Наша планета теж має свою «плазмову корону» — розріджену оболонку з іонізованого газу, що простягається до висоти 400 кілометрів. Фактично це глибокий вакуум, що вже майже не перешкоджає руху космічних апаратів. Але після того, як сонячний вітер ударяє по верхніх шарах земної атмосфери, розжарюючи їх, цей вакуум стає менш глибоким. Так 1979 року сонячний спалах «збив» американську орбітальну станцію «Скайлеб». Крім того, іоносфера може бути «дзеркалом», що відбиває назад до Землі радіохвилі, внаслідок чого магнітні бурі здатні порушувати зв’язок.

Механізм впливу магнітних бур на самопочуття людини поки що не до кінця зрозумілий. Геоіндукційні поля дуже слабкі, проте деякі люди здатні відчувати найтонші зміни магнітного поля. Як і що? Загадка Можливо, фізичний дискомфорт, пов’язаний із магнітними бурями, має психосоматичну природу.

У телефільмі “Наднова” (2005) Землі загрожує загибель внаслідок вибуху світила. Але такого розвитку подій не варто побоюватися — маса Сонця цього недостатня. Проте багато що зустрічаються у фантастиці сценарії катастрофи наука не може відкинути з такою самою впевненістю, адже наші знання про Сонце все ще дуже обмежені. Що саме там трапляється, ми вже знаємо. Але чому це відбувається саме таким чином, на даний момент і з інтенсивністю, що спостерігається — на жаль, ні.

Рівнавага, у якому перебувають надра Сонця, стійке, але з статично. Зірка “дихає”, циклічно змінюючи свою активність. Гравітація призводить до стиснення – крихітного, але спостерігається. Стиснення підвищує інтенсивність термоядерних реакцій, які, у свою чергу, призводять до нагрівання та розширення. У результаті світність коливається не більше 0,1%. Але чомусь нерівномірно. Найкоротший, 11-річний цикл, незважаючи на назву, триває від 9 до 14 років. І це дуже дивно. Дивніше, ніж якби тривалість року Землі непередбачено змінювалася від 9 до 14 місяців. Адже Сонце, на відміну від Землі, зовнішнім впливам не піддається.

Крім 11-річних циклів, світність Сонця коливається з періодами 70-100, 200-300 та 2000 років – теж нерегулярними. І постає питання, які процеси в такій гігантській системі (тепло від ядра до фотосфери проходить за 200 тисяч років) взагалі можуть протікати з високою та непостійною швидкістю? Очевидно, це можуть бути лише електромагнітні процеси. Це, напевно, якось пов’язане з циклами активності. Знати б ще як саме.

Іноді наше світило бере відпустку – світність знижується на 0,2-0,6%. Що відбувається в такому випадку, нам незабаром доведеться дізнатися. З урахуванням непередбачуваності нашого світила такого розвитку подій очікується будь-якої миті. Минулий тривалий період низької активності, що одержав назву «мінімум Маундера» або «малий льодовиковий період», продовжувався з 1645 до 1715 року. Річки в середній смузі Росії тоді сковувалися льодом на півроку.

Зміни клімату, як і коливання сонячної активності, за останні тисячі років добре вивчені. І зв’язок між похолоданнями та періодами «спокійного Сонця» досить очевидний. Здавалося б, все просто, але механізм цієї залежності залишається загадкою. Саме собою зміна світності частки відсотка значних наслідків мати неспроможна. Серед гіпотез, що висуваються, є навіть така, згідно з якою Землю насправді заморожують випромінювання галактичного ядра. Якщо довго немає спалахів і плазмових атак, радіаційні пояси Землі слабшають і космічні частинки досягають атмосфери, викликаючи конденсацію пари і утворення хмар, що відображають світло.

У міру перетворення водню на гелій ядро зірки ущільнюється. Це призводить до зростання тиску та прискорює термоядерні реакції. З віком, витрачаючи пальне, зірка не тьмяніє, а спалахує все сильніше. У разі Сонця це означає збільшення світності на 10% за мільярд років. І навіть додаткові 10% будуть для Землі зайвими — виживуть лише термофільні організми в океанах, що закипають біля поверхні. А ще через 2,5 мільярда років, повністю втративши воду, наша планета перетвориться на подобу Венери.

Натомість від збільшення світності Сонця у виграші виявиться Марс. Через мільярд років на Марсі розтануть льодовики, потечуть річки та з’явиться щільна атмосфера. Це буде посушливий, але цілком придатний для життя світ. Останніми естафету приймуть супутники Сатурна — коли промені Сонця, що вмирає, на короткий час розтоплять льоди.

Через 7 мільярдів років у ядрі Сонця, що стискається, закінчиться водень. Але температура в надрах світила до цього часу вже буде така велика, що реакція синтезу стане можливою в конвективній зоні. Ненадовго. “Рідкий вогонь” здатний розширюватися при нагріванні. Виділення енергії в “мантії” зірки призведе до того, що її розміри збільшаться в сотні разів, тиск впаде і синтез припиниться. Сонце перетвориться на червоний гігант світністю в 3-5 тисяч разів вище за сучасну. Потім в ядрі спалахне гелій, і потік випромінювання, що різко зріс, виштовхне роздувшуюся газову оболонку за межі гравітаційної ями.

Меркурій та Венера будуть поглинені фотосферою Сонця. Уран і Нептун залишать світило, що втрачає гравітаційну хватку. Але Земля, перейшовши на орбіту з удвічі більшим радіусом, мабуть, уціліє. Агонія зірки триватиме ще 100 мільйонів років, після чого догорить і гелій. Зірка перетвориться на білий карлик — крихітна куля з вуглецю та кисню, що заливає руїни сонячної системи запеклими потоками рентгенівського випромінювання.

Подальший синтез стане неможливим. Адже чим важчий елемент, тим більший електричний заряд ядер і вища сили кулонівського відштовхування. Перетворення білого карлика на чорний — холодний, не випромінюючий — займе ще чотири мільярди років.

* * *
Прогнозувати події на Сонці поки що можна лише на основі досвіду спостережень. Але саме цей досвід свідчить, що за весь період існування людства світило ще жодного разу не знищило нас.