Проблемы-загадки

На этой страничке будут обсуждаться две проблемы-загадки:

дефицит солнечных нейтрино и изотоп³Нe;

солнецные вспышки, богатые ³Нe.

Строить предположения, не располагая фактами, - все равно,
что пытаться войти в дом без ключа, бессмысленно блуждая
вокруг, ощупывая стены и заглядывая время ото времени в окна.
Факты - необходимый ключ."
Юлиан Хаксли

СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, БОГАТЫЕ ИЗОТОПОМ 3Не

Солнечной активностью называют комплекс различных явлений, происходящих в атмосфере Солнца и характеризуемых значительными изменениями со временем физических характеристик соответствующих областей солнечной атмосферы. Исторически получилось так, что, говоря о солнечной активности, прежде всего имеют в виду солнечные пятна. Это справедливо и сегодня, так как среди явлений солнечной активности трудно найти более сложное и непонятное образование, чем солнечное пятно. Солнечные пятна имеют размеры от тысячи до десятков тысяч километров и представляют собой относительно холодные места фотосферы Солнца. Температура их на 1500—2000° ниже температуры окружающей среды. Пятна имеют тарелкообразную форму с дном на глубине 700-1000 км. Солнечные пятна обладают сильным магнитным полем (2000-3000 Гс, иногда даже 5000 Гс). Такое поле в состоянии уменьшить или даже подавить конвективный перенос энергии в подфотосферных слоях, тем самым создавая дефицит выходящей лучистой энергии. Поэтому и считается, что виновником низкой температуры солнечных пятен является именно магнитное поле, не позволяющее переносить энергию из более низких слоев в более высокие.

Группы солнечных пятен появляются не по всему диску Солнца, а только в так называемых королевских зонах, расположенных примерно до 40° по обе стороны от солнечного экватора. Группы солнечных пятен вблизи края видимого диска Солнца всегда наблюдаются на уровне фотосферы в окружении светлых волокнистых образований, называемых фотосферньми факелами. Это крайне неоднородные образования, которые характеризуются широким диапазоном изменения яркости, температуры, скорости движения вещества, напряженности поля в разных местах. Размеры их весьма внушительны — от десятков до сотен тысяч километров. Они существуют от нескольких дней до нескольких месяцев. Развитие факельных площадок начинается с увеличения их яркости и компактности. Площадь факельных площадок постепенно увеличивается. После исчезновения пятен они становятся более рыхлыми и менее контрастными, но размер их растет. Затем площадь их начинает уменьшаться, и факельная площадь теряется в окружающей среде. Иногда в факельных площадках, наблюдаемых в линии водорода На, внезапно происходит значительное увеличение яркости в отдельных местах, чаще вблизи солнечных пятен. Это одна из особенностей самого впечатляющего явления активности Солнца - солнечной вспышки, которую легче всего наблюдать. Энергия крупной вспышки достигает 1033 эрг, что в несколько сот раз больше, чем можно получить при сжигании всех разведанных запасов нефти и угля. Подавляющее большинство солнечных вспышек происходит в районах групп солнечных пятен со сложным строением магнитного поля.

Одним из ярких проявлений солнечных вспышек является ускорение частиц до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца. Солнечные космические лучи (СКЛ) регистрируются у Земли в виде внезапных резких повышений интенсивности космических лучей на фоне галактических космических лучей. Полученный из наблюдений верхний предел энергии СКЛ составляет около 200 ГэВ. Основную долю СКЛ составляют протоны, имеются также ядра гелия и тяжелых элементов. Обнаружен уникальный класс вспышек - вспышки, богатые изотопом 3Не. Установленное на опыте аномальное обогащение солнечных космических лучей редким изотопом 3Не — очень интересное явление. Состояние и перспективы исследований этого класса солнечных вспышек подробно обсуждаются в работах автора [1, 2]. Здесь мы вкратце обсудим основные характеристики 3Не-богатых вспышек, природа которых все еще загадочна.
В настоящее время имеется каталог [1,2], содержащий более 150 солнечных вспышек, богатых 3Не. Для 15 из них коэффициент обогащения 3Не относительно 4Не больше 5000 и для 70 - более 1000. Подкоэффициентом обогащения понимается следующее соотношение:

где /3 и /4 — измеренные значения интенсивности потоков 3Не и 4Не в солнечных космических лучах, n3 и п4 — концентрации рассматриваемых изотопов в солнечной атмосфере.
Аномально высокое отношение потоков 3Не и 4Не, достигающее > 10 (в солнечной атмосфере "n3/n4= 4*10-4)> является главной характеристикой соответствующих вспышек. Вопросы о том, где и каким образом происходит столь сильное разделение изотопов, являются предметом интенсивных обсуждений и дискуссий.
Важным свойством исследуемых событий является отсутствие измеримых потоков дейтерия 2Н и трития 3Н. Этот факт и экспериментальные данные по ядерным вспышечным у-линиям исключают возможность обогащения солнечных космических лучей 3Не за счет ядерных реакций в атмосфере Солнца под действием ускоренных во вспышке протонов и а-частиц, так как одновременно с 3Не должны неизбежно генерироваться дейтерий, тритий и ядерные у-линии.
К настоящему времени предложены следующие возможности интерпретации экспериментальных данных:
1) за счет плазменных эффектов происходит обогащение изотопом 3Не на стадии преднагрева вспышечной плазмы;
2) непосредственно перед вспышкой или на начальной стадии вспышки вспышечная область обогащается 3Не за счет поступлений ионов 3Не из глубинных слоев солнечной плазмы.

Рассмотрим обе возможности.
Поскольку ускорение частиц происходит не в вакууме, а в достаточно плотной плазме, любой процесс ускорения сопровождается потерями энергии за счет взаимодействия частиц с окружающими ионами. Поэтому эффективность ускорения определяется соотношением темпа ускорения и темпа потерь энергии. Для ускорения очень важной является начальная энергия ускоряемого иона 3Не или 4Не. Поскольку у 3Не и 4Не при равенстве зарядов имеется разница в массе, эффективность взаимодействия с плазменными турбулентностями плазмы у изотопа 3Не оказывается выше. В результате этого начальная энергия ионов 3Не в предвспышечной плазме оказывается больше, чем у изотопа 4Не, и соответственно ускорение 3Не оказывается более эффективным.
Идея преимущественного ускорения 3Не за счет плазменных эффектов была сформулирована автором настоящей статьи 20 лет назад и получила дальнейшее развитие в других работах. Создана конкретная теория, в рамках которой удается объяснить все основные свойства нового класса солнечных вспышек - вспышек, богатых 3Не [1,2].
Рассмотрим возможность обогащения вспышечной области 3Не за счет термоядерного источника. Согласно теоретической модели, по мере удаления от центра Солнца концентрация 3Не монотонно увеличивается. На расстоянии 30%-ного радиуса концентрация 3Не достигает максимального значения -1% и затем постепенно уменьшается. Поэтому приход 3Не термоядерной природы во вспышечную область значительно увеличил бы концентрацию 3Не. Однако таким образом полностью решить проблему богатых 3Не вспышек не представляется возможным. Вполне вероятно, что работают одновременно два механизма: преимущественное ускорение 3Не и обогащение вспышечной области 3Не термоядерной природы.

О ПРОБЛЕМЕ ДЕФИЦИТА ПОТОКОВ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО

Нейтрино являются единственными частицами, которые генерируются в термоядерной печи Солнца и беспрепятственно его покидают. Через две секунды после их рождения в глубоких недрах нашего светила нейтрино уже "на свободе" и имеют в своей памяти детальную информацию о глубоких недрах. Проблема термоядерных реакций в недрах Солнца подробно рассмотрена в работе автора [3]. Здесь основное внимание уделяется роли изотопа 3Не в решений нейтринной загадки.
В последние 30 лет экспериментальная нейтринная астрофизика непрерывно преподносит новые загадки и вопросы. Постоянный дефицит потока солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями теории стал нормой и инициировал разработку новых идей и предложений.
В настоящее время имеются четыре cepии экспериментальных данных по регистрации различных групп солнечных нейтрино (подробности см. в [3]).

В течение 30 лет ведутся радиохимические эксперименты на основе реакции 37С1 + v —> 37Аг + е~. Согласно теории, основной вклад в эту реакцию должны внести нейтрино от распада 8В (табл. 1) в редкой ветви протон-протонного цикла. Исследования по прямой регистрации нейтрино от распада 8В с измерением энергии и направления движения нейтрино выполняются в эксперименте KAMIOKANDE с 1987 года. Радиохимические эксперименты по реакции 7lGa + v —> 71Ge + e" ведутся последние пять лет двумя группами ученых ряда стран. Важной особенностью этой реакции является ее чувствительность в основном к первой реакции протон-протонного цикла р + р —> 2D + е+ + v.

Таблица 1. Последовательность реакций
протон-протонного цикла Темп этой реакции определяет скорость энерговыделения в термоядерной печи Солнца в реальном масштабе времени.Во всех экспериментах наблюдается дефицит в потоках солнечных нейтрино по сравнению с предсказаниями Стандартной солнечной модели (ССМ).
В эксперименте KAMIOKANDE установлено, что зарегистрированные нейтрино идут от направления на Солнце и что их энергетический спектр со¬гласуется с предсказаниями теории по спектру нейтрино от распада 8В (8В-нейтрино). Измеренный поток нейтрино составляет (2,7 ± 0,5) • 106 см~2 • с'1. Сравнение этой величины с предсказаниями ССМ показывает, что на опыте имеется двукратный дефицит потока нейтрино. Используя полученную величину потока 8В-нейтрино можно вычислить скорость реакции для радиохимического экспери¬мента 37Cl(v, e") 37Аг. Она оказывается в пределах от 4 до 5 СЕН'. В хлорном эксперименте за время функционирования эксперимента KAMIOKANDE для скорости той же реакции было получено значение 4,2 ± 0,12 СЕН.
Таким образом, можно заключить, что результаты двух различных по принципу работы экспериментов хорошо согласуются. В "галлиевом" радиохимическом эксперименте основной вклад в скорость реакции должны внести нейтрино от первой реакции протон-протонного цикла (р-р-нейтрино). (Согласно теории, вклад р—р-нейтрино составляет 71 СЕН. С учетом всех групп нейтрино полная скорость равна 127 СЕН. По экспериментальным данным, скорость реакции 71Ga + v —? 71Ge + е" всего 77 ± 10 СЕН, что значительно ниже величины, предсказанной теорией. Таким образом, и в этом эксперименте имеется дефицит нейтрино.

Какова же природа этого дефицита?

Следующим после р-р-нейтрино по вкладу в скорость реакции являются "бериллиевые" - 34 СЕН, далее 8В-нейтрино - \ 4 СЕН. Вклад нейтрино от углеродно-азотного цикла составляет 10 СЕН. Дефицит 8В нейтрино может иметь температурную природу (поток очень сильно зависит от температуры в центре Солнца: пропорционально Т18) или вызывается пониженной концентрацией 7Ве (в два раза). В первом случае, согласно теории, вклад в галлиевую реакцию бериллиевых нейтрино должен быть 34 СЕН, а во втором случае он будет в два раза меньше. Таким образом, если вычесть из экспериментального значения скорости реакции вклад 8В-и 7Ве-нейтрино, получим от 35 до 55 СЕН на долю р—р-нейтрино и нейтрино от С—N-цикла. Теоретическое значение вклада р—р-нейтрино составляет 71 СЕН, то есть и в этом случае имеется дефицит. Таким образом, существует глобальный дефицит солнечных нейтрино. Такой глобальный дефицит был предсказан в 1970 году автором настоящей статьи совместно с Ю.Н. Старбуновым в рамках сформулированной гипотезы [4, 5] о повышенном содержании 3Не в недрах Солнца по сравнению с предсказаниями стандартных моделей Солнца. Были построены модели для различных значений концентрации 3Не и вычислены потоки различных групп нейтрино. На рис. 1 представлены зависимости потоков различных групп нейтрино от содержания 3Не в недрах Солнца. По оси абсцисс указаны также концентрации 3Не в недрах Солнца и по ССМ и содержание 3Не в солнечном ветре. Экспериментальные данные по потоку *В-нейтрино соответствуют весовой концентрации 3Не в области горения водорода 3 • 10~5. Эта величина всего в несколько раз больше предсказания ССМ для центра Солнца -7,7 • Ю-6 и значительно меньше концентрации 3Не в солнечном ветре — 10-4.
Принципиально важно, что указанное значение существенно меньше, чем концентрация 3Не, генерированного за счет реакций водородного горения за время функционирования ядерного котла в недрах Солнца. Весовая концентрация накопленного 3Не в центре Солнца составляет 7,7 • 10-6 и по мере удаления от центра растет, достигнув величины 3,3 х х 10~3 на расстоянии 0,28 радиуса Солнца. Видно, что приведенное выше значение 3 ? 10~5 может быть обеспечено, даже если первичное Солнце вообще не содержало 3Не. Это может быть как в результате диффузии 3Не, так и скачкообразного изменения структуры Солнца. Ясно, что непрерывный рост градиента концентрации 3Не в недрах Солнца не может быть перманентным. Отметим также, что в процессе горения водорода генерируется очень

Рис. 1. Зависимость потоков различных групп
нейтрино от весовой концентрации 3Не
в недрах Солнца эффективное горючее 3Не, которое должно быть использовано впоследствии. К сожалению, теория не в состоянии предсказать неличину градиента, выше которой неизбежно должен быть приток 3Не в центральную область.
Во время подготовки статьи в научной печати [6] были опубликованы предварительные результаты комплексного изучения солнечной активности в экспериментах на функционирующем в настоящее время спутнике SOHO. Несмотря на то что Солнце находится в состоянии низкой активности, обнаружены значительные динамические явления в солнечной атмосфере. Принципиально важными являются результаты эксперимента по изучению осцилляции Солнца. Установлено, что распределение гелия в недрах Солнца отличается от предсказаний стандартной модели, а именно градиент по радиусу меньше, чем предсказывает теория. Этот результат свидетельствует в пользу рассмотренной выше возможности.
Таким образом, если рассмотренный вариант отражает реальность, то должен быть наибольший дефицит нейтринного потока от распада 8В и -8 несколько меньший дефицит потока р-р-нейтрино. Поток 7Ве нейтрино почти не меняется по сравнению с предсказаниями теории ССМ, а поток hep-нейтрино (3Не + р —- 4Не + е+ + ve) несколько возрастает. Все это реально проверяемо экспериментально. Предстоящие эксперименты BOREXINO -регистрация 7Ве-нейтрино и SUPERKAMIO-KANDE (8В- и hep-нейтрино) в ближайшие годы должны дать ответ на вопрос, какова же природа обнаруженного глобального дефицита солнечных нейтрино.
В заключение хотелось бы отметить, что рассмотренные выше загадки связаны с удивительным и интересным изотопом 3Не. Изотопы гелия хорошо известны своими нестандартными свойствами. Может оказаться, что в условиях больших давлений и температур (недра Солнца) изотопы гелия преподнесут нам очередной сюрприз.

ЛИТЕРАТУРА
1. Кочаров Г.Е. Ядерные реакции на Солнце. М.: Зна¬ние, 1976.64 с.
2. Кочаров Г.Е. // Итоги науки и техники. Астрономия. 1987. Т. 32. С. 43-141.
3. Кочаров Г.Е. Термоядерный котел в недрах Солнца и проблема солнечных нейтрино // Соросовский Обра¬зовательный Журнал. 1996. № 10. С. 99-105.
4. Кочаров Г.Е., Старбунов Ю.Н. // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 11.С. 132-135.
5. Кочаров Г.Е//№ъ. АН Poccmi. 1996. Т. 6. С. 112-120.
6. Hellemans А. // Science. 1996. Ш. 272. Р. 813.

Грант Егорович Кочаров, доктор физико-математических наук, зав. кафедрой космических исследований Санкт-Петербургского государственного технического университета, научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской Академии наук. Область научных интересов: нейтринная астрофизика, физика Солгала, астрофизика космических лучей. Основатель новой области науки "Палеоастрофизика". Автор пяти монографий и более 400 публикаций.

©СОШ№1 г. Рассказово
Alena_ger_2000@rambler.ru