Наше Солнце – довольно обычная звезда для Млечного Пути. Не самая яркая, и не самая большая. Его возраст всего 4,5 миллиарда лет. На настоящий момент Солнце – единственная известная нам звезда, чьи свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, нам известной. К счастью для нас, Солнце уже светило в те времена, когда несколько сотен тысяч лет назад появились первые люди. Но откуда у Солнца может быть столько топлива? Почему оно до сих пор не погасло, как свеча или костер? И почему Солнце светит до сих пор? И когда же наша звезда окончательно выгорит?
Почему Солнце светит?
Этот вопрос поднимался учеными уже в XIX веке. В то время ученым было известно только два способа, которыми Солнце могло бы генерировать энергию: либо оно создавало тепло и свет в результате гравитационного сжатия – оно стягивалось к центру и излучало энергию (в виде тепла, ощущаемого нами на Земле), поэтому со временем стало бы уменьшаться. Либо Солнце светит буквально как уголь в печи. То есть в результате химической реакции, знакомой нам всем, и возникающей, когда мы разжигаем огонь.
Взяв за основу то, что любая из перечисленных гипотез могла бы поддерживать объяснение функционирования Солнца, ученые тех лет точно рассчитали, какое время наше светило могло бы существовать, если бы на нем происходил соответствующий процесс. Но ни один результат не совпал с той цифрой, которую исследователи знали о возрасте Солнечной системы – 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него не было бы топлива уже задолго до того, как мы появились на сцене эволюции. Стало очевидно, что на Солнце происходит что-то другое.
Уравнение Эйнштейна
Несколько десятилетий спустя, вооружившись знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc2, которое предсказывало, что любая масса должно иметь эквивалентное количество энергии, британские астрономы 1920-х годов предположили, что Солнце светит, фактически превращая свою массу в энергию. Однако вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу и почерневший углерод (излучая свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Термоядерное топливо Солнца
Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречается с другим атомом водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкивают друг друга. Это предотвращает встречу одного из протонов друг с другом. Но ядро Солнца сильно разогрето. И находится под таким давлением, что атомы перемещаются с большой кинетической энергией. Которая позволяет им преодолевать силу, связывающую их структуру. И электроны начинают отделяться от своих протонов.
Это означает, что протоны, обычно находящиеся внутри ядра атома водорода, могут касаться друг друга. И объединяются в ядра других элементов в результате процесса, называемого термоядерным синтезом. Эта реакция происходит с высвобождением колоссального количества энергии.
Непрерывная печь
Также, как и внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца врезаются друг в друга каждую секунду. В результате таких столкновений чаще всего случается, что четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. В результате такого синтеза часть массы этих четырех микроскопических протонов оказывается «потеряна». Так происходит потому, что атом гелия весит меньше, чем суммарно четыре протона. Но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто навсегда исчезнуть. И эта масса превращается в неимоверное количество энергии. Каждую секунду Солнце излучает 3,9 × 10 в степени 26 Вт мощности. Это такое огромное количество энергии, что, честно говоря, нельзя привести никакой аналогии с земными процессами. Возможно, это число можно оценить следующим образом: такое количество ватт намного больше, чем все электричество, которое весь мир потратит текущими темпами в течение нескольких сотен тысяч столетий.
Сколько будет гореть Солнце?
Эффективность реакции термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце постоянно излучает тепло. Энергия, выделяемая при превращении всего одного килограмма водорода в гелий эквивалентна той, которая выделяется при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце достаточно массивно и относительно молодо, ученые считают, что оно использовало только около половины своего топлива – водорода.
В конце концов, ядро Солнца преобразует весь свой водород в гелий, и звезда умрет. Но не переживайте. Этого не произойдет еще примерно 5 миллиардов лет.