АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

ТЕМА 2.2. ФІЗИКА ЗІР І МІЖЗОРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА

§ 17. ДЖЕРЕЛО ЕНЕРГІЇ СОНЦЯ

Дослідникам природи дуже довго не вдавалося зрозуміти, яке джерело енергії ось уже майже 5 млрд років дозволяє Сонцю так потужно світити.

1. Історія виявлення джерела енергії Сонця.

Перше наукове пояснення джерела енергії Сонця (і зір загалом) спробували зробити Г. Гельмгольц і В. Томсон (лорд Кельвін) в середині XIX ст. Вони обчислили кількість енергії, яка виділяється під час гравітаційного стискання зорі, коли потенціальна енергія її мас, що падають до центра, перетворюється в кінетичну, а отже, й у внутрішню енергію речовини. Від цього світність і температура зорі мають зростати.

Час гравітаційного стиснення легко оцінити. Зміна потенційної енергії маси М при її переміщенні на відстань R під дією поля тяжіння, що створює прискорення g, становить MgR. Візьмемо в якості g його значення MG/R² у зовнішніх шарах зорі й отримаємо, що повна енергія зорі становить GM /R. Отже, за рахунок гравітації зоря матиме світність L лише впродовж часу t = GM /RL. Для Сонця цей час становить 1,6 млн років, що занадто мало для часу існування такої зорі, як наша. Тож використовуючи гравітаційну енергію, Сонце (як і зорі загалом) не може тривалий час існувати як стаціонарний об'єкт.

У 20-х роках ХХ ст. англійський астроном Артур Еддінґтон висловив припущення про те, що в центрі Сонця вивільняється ядерна енергія, і саме вона забезпечує його світіння. Фізики-атомники з цим не погоджувалися. Вони вважали, що температура в надрах зір мала для вивільнення ядерної енергії. Також було не ясно, як можна «змусити» взаємодіяти частинки з однаковим зарядом. Наприклад, ядра водню (протони) згідно із законами електростатики мають відштовхуватися.

Цю, на перше око неподоланну, проблему вдалося вирішити. Було відкрито сильну ядерну взаємодію, що поширюється як на нейтрони, так і на протони, але яка діє лише на дуже малій відстані. Протони, рухаючись з великими швидкостями, можуть зблизитися так, що потраплять під вплив сильної ядерної взаємодії. Температури в ядрах зір лежать в межах від 10 млн до 40 млн К, а цього якраз досить, щоб протони досягали швидкостей, за яких можливе їхнє злиття, як і твердив Еддінґтон.

Наприкінці тридцятих років XX ст. фізики Г. Бете і К.Ф. фон Вейцзеккер незалежно один від одного теоретично з'ясували послідовність ядерних перетворень, що спонтанно можуть відбуватися в надрах зір. Лише після цього було доведено, що джерелом енергії Сонця є реакції термоядерного синтезу.

2. Фізичні процеси в ядрі Сонця.

В надрах Сонця відбувається термоядерна реакція перетворення водню в гелій, яка має назву протон-протонної, бо починається з тісного зближення двох протонів - ядер атомів водню. Щоправда, не кожна зустріч двох протонів стає початком ядерної реакції. Протягом мільярдів років протон може раз у раз зіштовхуватися з іншими протонами, але так і не вступити у ядерні перетворення. Але якщо в момент тісного зближення двох протонів відбудеться ще одна, дуже малоймовірна подія - розпад протона на нейтрон, позитрон і нейтрино (такий процес називається бета-розпадом), то протон з нейтроном об'єднаються в ядро атома важкого водню - дейтерію.

Ядро дейтерію (дейтон) своїми властивостями схоже на ядро водню, тільки важче за нього. Але на відміну від протона, дейтон у надрах Сонця довго існувати не може. Вже через кілька секунд, зіштовхнувшись з іще одним протоном, дейтон приєднує його до себе, випромінює гамма-квант і стає ядром ізотопу гелію, в якого два протони зв'язані не з двома нейтронами, як у звичайного гелію, а тільки з одним. Раз у кілька мільйонів років ядра легкого гелію наближаються одне до одного так близько, що можуть об'єднатися в ядро звичайного гелію, «відтпустивши на волю» два протони.

Отже, внаслідок ланцюжка перетворень виникає нове ядро, що складається з двох протонів і двох нейтронів — ядро гелію.

Схематично це можна відобразити так: (p + p → d + e⁺ + ν >далі> d + p → ³He + γ >далі> ³He + ³He → ⁴He + 2p, або загалом: 4¹Н → ⁴Не + 2е⁺ + 2ν_e + енергія. Окрім цього, продуктами реакції є два позитрони (е⁺), два нейтрино (v_e) та енергія у вигляді гамма-квантів.

Виділення енергії зумовлене тим, що загальна маса чотирьох ядер водню, які беруть участь у реакції синтезу, трохи перевищує сумарну масу продуктів реакції (ядра гелію та інших чотирьох легких частинок). Але спеціальна теорія відносності Айнштайна вказує на те, що втрата в масі має бути компенсована виграшем в енергії. Вони пов'язані відомою формулою Айнштайна Е = Мс .

У реакції синтезу ядер гелію втрачена маса еквівалентна енергії 26,72 МеВ (МеВ, або 1 млн електронвольт, — одиниця енергії в атомній фізиці, одна кіловат-година — одиниця, яку широко використовують для виміру електроенергії, дорівнює приблизно 2· 10¹⁹ МеВ). Іншими словами, частина маси, яка переходить в енергію, становить 0,7% маси усього водню, що перетворюється в гелій.

З кожного грама водню, що бере участь у реакції, виділяється 6-10¹¹ Дж енергії! На Землі такої кількості енергії вистачило б для того, щоб нагріти від температури 0 °С до точки кипіння 1000 м води! Отже, головним паливом на Сонці є водень.

Повну потужність випромінювання Сонця визначають за формулою:

де а — середня відстань Землі від Сонця (одна астрономічна одиниця), q = 1,37 · 10³ Вт/м² — сонячна стала — кількість сонячної енергії q, що падає за одиницю часу на одиницю поверхні, перпендикулярної до променів, за межею земної атмосфери на відстані 1 а. о. від Сонця.

Народжені в ході реакції позитрони та гамма-кванти передають енергію навколишньому газу, а нейтрино без перешкод покидають Сонце.

Енергія гамма-квантів, що утворилися внаслідок ядерних реакцій в ядрі Сонця, в мільярди разів більша за енергію квантів видимого світла, а довжина хвилі дуже мала. Гамма-кванти покидають ядро, але під час подорожі назовні в товщі Сонця атоми речовини кожний квант багато разів поглинають і одразу випромінюють новий. Під час перевипромінювання частіше за все

виникає не один, а кілька квантів, з меншими енергіями. Тобто гамма-кванти дробляться на менш енергійні - спочатку виникають рентгенівські, що дробляться на ультрафіолетові, а ті своєю чергою на кванти видимого й інфрачервоного світла.

У підсумку найбільше енергії Сонце випромінює у видимому світлі, і не даремно наше око чутливе саме до цього виду електромагнітних хвиль. Шар Сонця, де передача енергії здійснюється через поглинання й випромінювання речовиною квантів електромагнітних хвиль, називають зоною променистої рівноваги або зоною променистого переносу. В цілому для того, щоб дістатись від сонячного ядра до поверхні, кванту енергії потрібно майже мільйон років.

Рис. 17.1. Внутрішня будова Сонця

Мандруючи до поверхні товщею Сонця, кванти зрештою опиняються в прошарку, де в умовах все менших температури й тиску речовина стає непрозорою. Тут домінує інший механізм переносу енергій - конвекція: гарячі потоки газу підіймаються догори, віддають свою енергію навколишньому середовищу й, охолонувши, опускаються донизу.

Верхня межа конвективної зони має вигляд дрібних гранул, що змінюються впродовж кількох хвилин. На сонячній поверхні їх можна бачити навіть у телескоп зі скромними можливостями.

Про внутрішню будову Сонця відомо не стільки зі спостережень, як через побудову теоретичних моделей внутрішньої будови зір. Нині їх створюють з використанням можливостей дуже потужних комп'ютерів. Та все одно ще є багато невідомого.

Наприклад, стандартна модель зоряної еволюції вказує на те, що з віком зорі сонячного типу мають світити все яскравіше. Це означає, що Сонце

4 млрд років тому мало випромінювати на третину менше енергії, ніж тепер. Розрахунки показують, що в такому разі на Землі було б досить холодно, і вся вода на її поверхні повністю б замерзла. Але геологічні знахідки свідчать: рання Земля мала вологий і теплий клімат, який сприяв виникненню життя. Незважаючи на кілька гіпотез, запропонованих для пояснення цієї проблеми (в астрономії її називають парадоксом слабкого молодого Сонця), питання ще не вирішене.

ВИСНОВКИ

• Головне «паливо» Сонця - водень. У ядрі Сонця відбуваються термоядерні реакції перетворення водню в гелій, які є джерелом енергії нашої зорі.