История солнца до 20-го века

Философы и ученые проявляли большой интерес к солнцу со времен древней Греции и даже ранее. Трудно даже представить древних пещерных людей, наблюдающих солнце без благоговейного страха и изумления. В течение летописной истории о солнце делались многочисленные заявления, и вплоть до конца 18 века различные грубые астрономические измерения проводились с различной степенью точности. В течение этого периода были сделаны значительные открытия о самой Земле, в основном, о возрасте Земли. В 18 веке была широко распространена теория о том, что возраст Земли составляет 6000 лет, основанная на библейской истории в интерпретации архие-пископа Ашера. Тем не менее, во второй половине 18 и начале 19 веков начали появляться научные оценки, определяющие возраст Земли до 100 тысяч лет. Эти оценки начали вызывать серьезную озабоченность по поводу средств, с помощью которых Земля поддерживалась теплой в течение столь длительного периода времени. Предполагалось, что Земля сформировалась как шар из расплавленных скальных пород, который постепенно остывает. Однако вычисления, наиболее известные из которых были сделаны Ньютоном, показали, что даже если бы Земля была сформирована как горячий расплавленный шар из железа, то для того, что бы остыть до ее сегодняшней температуры, ей потребовалось бы от 50 до 75 тысяч лет. Вопрос о земном тепле оставался проблемой в течение всего 19 и части 20 веков.
В 1800 годах проблема была еще более усложнена в результате развития геологии, а также появления теории о происхождении видов Дарвина, которая была опубликована в 1859 году. Становилось все более ясно, что геологи-ческие процессы, под воздействием которых была сформирована Земля, а также время эволюции, необходимое для создания жизни такой, какой мы знаем ее сегодня, потребовали гораздо большего возраста Земли и солнца, чем это казалось, судя по моделям Земли, которыми ученые пользовались в то время. Нужны были новые данные. Новые интеллектуальные открытия были необходимы для того, чтобы решить эту загадку.
Частично разгадкa былa обеспеченa благодаря развитию науки термодинамики во второй половины 19 века. Особенно важное значение имело развитие концепции тепла, а также идея о том, что энергия в ее различных формах может быть размножена. Вооружившись этими новыми идеями, некоторые личности начали интересо-ваться энергией солнца - откуда она приходит, как долго она существует и как долго она продлится. Очень важным было понимание того, что химической энергии в любой форме было недостаточно для того, что бы заставить солнце работать в течение нескольких тысяч лет. Солнце не было ни остывающим шаром железа, ни гигантским шаром горящего угля. И так, если химия не могла объяснить этого, то к чему же могли обратиться ученые, изучавшие солнце в то время? Было понятно, что необходим источник, который функционировал бы в течение миллионов и миллионов лет, обеспечивая энергию в форме тепла.
Источник энергии, который привлек внимание ученых на многие годы, связан с концепцией гравитации (притяже-ния). Сначала было предложено, что солнце может подпитываться метеорами, падающими на него из открытого космоса. Эта идея была простой и в начале имела большую популярность. Если метеор падает на солнце под воздействием колоссального притяжения солнца, то кинетическая энергия метеора (1/2 массы х скорость2) прео-бразуется в тепло при столкновении метеора с солнцем, таким образом, нагревая и солнце, и остатки метеора. Однако, при дальнейшем рассмотрении было выяснено, что это предложение является несостоятельным, поскольку в космосе просто не имеется достаточного количества метеоров для того, что бы выполнить эту работу, и кроме того, нет никакого последователь-ного и ощутимого увеличения солнечной массы. Лорд Кельвин (Вильям Томсон), который был ведущим исследователем того времени и внес большой вклад в науку термодинамики, также предло-жил, что солнце поддерживается горячим, благодаря поглощению целых планет, в результате чего высвобож-дается их гравитационная энергия после столкновения с солнцем. Это предложение также оказалось несостоятельным при более глубоком исследовании, после чего был сделан вывод о том, что идея о метеорах и ее модификации не могут быть решением проблемы. Тем не менее, идея о том, что гравитация играет ключевую роль в поддержании энергии солнца, была слишком привлекательной для того, чтобы быть полностью отброшенной, возможно, потому, что в то время не было других идей, которые были более резонными. Например, в 1854 году Хельм Хольц предложил, что солнце постепенно сжимается и таким образом, преобразует гравитационную энергию в тепло. Хельм Хольц предложил также, что первоначально солнце было разделено на мелкие скалообразные кусочки или даже пыле-образные частицы, рассеянные в космосе. Эти кусочки материи падали туда, где сейчас находится солнце, высвобождая свою огромную гравитационную энергию в результате столкновения и образуя очень горячий расплавленный шар. Расчеты показывают, что этот горячий шар имел бы достаточно внутренней энергии для обеспечения выхода солнечной энергии в течение десяти или более миллионов лет современными темпами. Опираясь на свои исследования теплового потока, возраста Земли и выхода энергии гравитационно подпитываемого солнца, Кельвин заявил в 1897 году, что возраст Земли и Солнца составляет 24 миллиона лет. Эта цифра оказалась в прямом противоречии с эволюционной биологией и исторической геологией, поскольку обе эти науки требовали гораздо большего возраста как Земли, так и солнца. Можно с иронией заметить, что Кельвин, хотя и оставался догматиком в отстаивании правильности своих вычислений, намекнул, что новые законы физики помогут когда-нибудь решить эту проблему. Потребовалось еще 30 лет, прежде чем были открыты эти законы и явления, которые были применены для решения проблемы энергетического выхода и возраста солнца.

Достижения 20-го века

20 век принес с собой начало атомной эры. В конце 19 века были открыты x (рентгеновские) лучи, супруги Кюри открыли радиоактивность в урановых минералах, было также заявлено о том, что атомы могут расщепляться. Были открыты -частицы (атомы гелия, потерявшие оба свои электрона), а также -лучи, которые позднее были охарактеризованы как быстро движущиеся электроны. Было установлено, что радиоактивность является результатом трансформации атомов любого элемента в атомы другого элемента. Ученые также определили, что элементы высвобождают свою энергию с помощью своей радиоактивности. Фактически, в 1903 году появились вычисления, показывающие, что 3,6 грамма/м3 радия в структуре солнца обеспечивают все тепло, выделяющееся на поверхности солнца. (Примечание: тепло от радиоактивных источников часто используется в качестве источника энергии в современных космических аппаратах). Тем не менее, необходимо отметить, что не существует спектроскопического подтверждения присутствия радия на солнце в таких количествах.
Открытие радиоактивности довольно быстро привело к еще одной попытке опровергнуть оценку возраста Земли, сделанную Кельвином, поскольку исследования периода полураспада урана в скальных породах показали, что возраст Земли должен составлять, по крайней мере, около 1 миллиарда лет. К 20-м годам 20 века было принято считать, что оценка Кельвина является просто неправильной и что возраст Земли насчитывает несколько миллиардов лет (по современным оценкам, солнечная система сформировалась около 4,5 миллиардов лет назад).
Этому выводу противоречило предложение Эйнштейна, сделанное в 1905 году, о том, что энергия и масса являются эквивалентными, что выражается с помощью известного теперь выражения: E=mc2. Стало ясно, что атом является ключом к пониманию генерации энергии солнца и других звезд. Вооруженные новыми данными физики и изотопных масс, ученые, включая Артура Эддингтона, Ханса Бете, Карла фон Вейзакера и других, в 1920-х и 1930-х годах абсолютно точно доказали, что солнечный резервуар энергии является субатомным по своей природе, покончив, таким образом, с теорией сжатия Кельвина. С этого момента началось также развитие современной стандартной модели солнца, модели, в которой протоны, сталкиваясь с ядром, сливаются вместе, производя в конечном итоге гелий наряду с энергией в форме фотонов. Тем не менее, в 1920-х годах астрофизикам предстояло решить серьезную дилемму. Кинетическая энергия частиц на солнце при температуре, рассчитанной Эддингтоном, исходя из массы и светимости, была слишком низкой для реакции синтеза. Солнце просто не было достаточно горячим для того, чтобы сообщить протонам скорость, достаточную для преодоления значительных сил сопротивления (электростатических), которые препятствовали их сближению на достаточные расстояния (10-15 м) для реакции синтеза. Была необходима еще одна революция - революция в физике. Этой революцией явилась развитие квантовой теории и понимание "странной" физики субатомных частиц.
Две важных с точки зрении дилеммы синтеза концепции квантовой физики появились в 1920-х годах.
Существует так называемая большая ядерная сила, которая действует только на очень коротких ядерных расстояниях и которая на этих расстояниях может преодолеть электростатические силы между одноименно заряженными частицами, такими как протоны.
В квантовом мире субатомных частиц, таких как протоны и электроны, часто возникает необходимость приписывать волновой характер частицам. Волновой характер придает некоторый характер таинствен-ности этим частицам, поскольку волны по своей природе распространяются в пространстве и не занимают определенный объем таким же путем, как это делают частицы. На базе этих двух концепций стало возможным предложить обоснованный сценарий для ядерного синтеза в солнечном ядре при "низких" температурах. Идея, во-первых, заключается в том, что, если протоны могут подходить достаточно близко друг к другу, то большая ядерная сила будет преодолевать электростатическую отталкивающую силу, и во-вторых, если частицы имеют волнообразную природу, то они могут проникать друг в друга, что позволяет частицам сближаться друг с другом на достаточное расстояние для того, что бы большая ядерная сила проявила себя. С помощью этих концепций было быстро показано, что энергия солнца действительно может возникать в результате склеивания протонов вместе, хотя при таком соединении химический состав солнца все еще оставался неясным. В 1930-х годах ученые, используя спектроскопическую технику, установили без всяких сомнений, что водород является наиболее распространенным элементом в структуре солнца. Тем не менее, необходимо отметить, что недостаток информации о точном составе солнца продолжал оставаться тормозом на пути к прогрессу. В 1950-х годах астрофизики уже могли сказать с большой уверенностью, что реакция синтеза типа протон-протон имеет огромную важность.
По современным оценка состав солнца представляет собой: по массе: 71% Н, 27% Не и 2% другие тяжелые элементы; по числу атомов определенного типа: 91% Н, 9% Не и 0,1% другие тяжелые элементы. Здесь полезно было бы подчеркнуть, что мы должны быть точными в нашем языке. Когда мы говорим "водород", это может означать либо атомы Н, либо молекулы Н2, и контекст требует уточнения значения этого слова. В случае с солнечным ядром это сложнее, поскольку здесь нет ни нейтральных атомов водорода, содержащих единичный протон в ядре с сопутствующим орбитальным электроном, ни молекул водорода. Скорее, в горячем солнечном ядре атомы расщепляются на составляющие их части: протоны, электроны и голые атомные ядра. Поэтому, когда мы ссылаемся на "водород" в ядре, то мы в действительности говорим об ионизированном водороде (Н), который, конечно, является голым протоном, представленным символом "р". Именно эти протоны и синтезируются вместе с выделением энергии.
Конечно, сразу же возникает вопрос: "Что удерживает солнце от взрыва, когда все эти водородные ядра (протоны) сталкиваются и синтезируются вместе?" или другими словами: "Как солнце удалось распределить подачу ядер водорода таким образом, чтобы сохранять их большую часть в течение миллионов лет?" Ответ на этот вопрос готов, поскольку ядро, как и остальная часть солнца, может рассматриваться в качестве газообразного тела и анализироваться в соответствии с принципами кинетической молекулярной теории газов, которая хорошо понятна. В данной модели температура движущейся частицы газа прямо пропорциональна квадрату ее скорости. Также в соответствии с данной моделью, здесь имеется статистическое распределение скоростей частиц в образце газа в форме колокола, как показано на рисунке 1, где ось абсцисс может представлять либо скорость частицы, либо температуру частицы.
Должно быть понятно, что в образце газа некоторые частицы являются почти неподвижными, в то время как другие частицы перемещаются с очень высокими скоростями. Другими словами, некоторые частицы являются холодными (движущиеся медленно), а другие - являются очень горячими (движущиеся очень быстро).
Однако, как показывает форма кривой, большая часть частиц имеет определенную скорость, соответствующую средней температуре образца. Таким образом, в солнечном ядре даже при его средней "низкой" температуре имеется относительно немного горячих протонов, которые движутся с гораздо более высокими скоростями, чем "средние" протоны. Тольки эти немногие движущиеся с демоническими скоростями протоны способны набирать достаточно кинетической энергии для того, чтобы пробиться через электростатический отталкивающий барьер и слиться вместе, инициируя цепь событий, которые, в конечном итоге, обеспечивают появление энергии, исходящей из солнечного ядра. Средний протон просто не обладает достаточной энергией для того, чтобы пробиться через барьер и слиться с партнером при столкновении. Другими словами, подавляющее большинство столкновений не приводит к реакции синтеза.
В середине 1930-х годов после открытия нейтронов в 1932 году и изобретения установок, способных ускорять частицы, реакции синтеза были продемонстрированы в земных лабораториях, в результате чего была доказана существенная правильность теоретических предсказаний относительно синтеза в недрах солнца. По современным оценка, при установившейся температуре солнечного ядра только один из ста миллионов протонов является достаточно горячим для осуществления реакции синтеза при столкновении. Другими словами, скорость реакции настолько мала, что отдельному протону потребовалось бы 14000 миллиардов лет для нахождения подходящего "горячего" партнера для столкновения с последующей успешной реакцией синтеза! Поскольку возраст солнца составляет всего около 4,5 миллиарда лет (!), то большая часть его протонов еще не нашла своего партнера для синтеза.
Итак, каковы же детали и последствия этого редкого события? Во-первых, как было сказано выше, два исключительно "горячих" протона, которые, как вы помните, являются ионами водорода без электронов, сталкиваются вместе. Результатом этого события является слияние двух ядер и образование дейтрона, позитрона и нейтрино. Это событие может быть записано в форме уравнения, где надписи над символами элементов обозначают массовое число:
1H + 1H 2D + oe+ + c (уравнение 1)
Символы 0е+ и c представляют позитрон и нейтрино соответственно. Дейтрон 2D отличается от обычного ядра водорода тем, что он содержит нейтрон вдобавок к протону. В этой реакции один из протонов становится нейтроном с образованием нового ядра, содержащего один протон и один нейтрон. Ключевая трансформация может быть записана следующим образом:
1p+ 1n0 (уравнение 2)
Но подождите! Что-то не в порядке с уравнением 2, в левой части имеется положительный заряд, а в правой части заряд отсутствует. Природа не допускает исчезновения заряда в воздухе, поэтому в уравнении должно быть что-то еще. Заметьте, что массовые числа законсервированы, чем Мать-природа должна быть довольна. Необходимо добавить член в уравнение, имеющий массовое число, равное нулю, и заряд, равный +1, к правой части уравнения. Введите позитрон 0e+, который представляет собой положительно заряженный электрон - кусочек антиматерии. Поэтому теперь мы можем записать уравнение 2 более правильно в следующим виде:
1p+ 1n0 + 0e+ (уравнение 3)
Tеперь заряд и массовое число зафиксированы, и Мать-природа довольна этой маленькой и тонкой операцией. Природа требует, чтобы момент также был законсервирован. Если позитрон вылетает из системы (уравнение 3), то должно быть что-то, что вылетает в противоположном направлении, поскольку было определено, что момент позитрона не уравновешивается отдачей протона. Пополните свой субатомный зверинец еще одним необычным членом - нейтрино, который выражается символом с. Более подробно об этом говорится в тексте учебника "Модели в науке", поскольку нейтрино сбивает ученых с толку вот уже в течение 60 лет. Достаточно сказать, что теперь мы имеем довольно хорошее понимание о необходимости введения позитронов и нейтрино в уравнение 1.
Следующим этапом в так называемом цикле протон-протон, который подпитывает солнце, является столкновение еще одного протона с дейтроном, описанным в уравнении 1, в результате чего получаются ядра гелия, содержащего два протона и один нейтрон, т.е. 3Не.
1H + 2D 3He + (уравнение 4)
Символ представляет фотон гамма-луча, который необходим для сбалансирования энергии. На конечном этапе два ядра гелия-3 сталкиваются, в результате чего образуется гелия-4, (4Не), и два протона.
3Не + 3Не 4Не + 21Н (уравнение 5)
Вся чистая реакция выглядит следующим образом:
41H 4He + 20e+ + 2 c + 2 (уравнение 6)
До сих пор ничего не было сказано о производстве фотонов в этой последовательности событий (уравнения 1,4 и 5), за исключением фотона гамма-лучей в уравнении 4. Уравнение 6 описывает полную чистую реакцию. Фотоны являются пакетиками энергии, в которых проявляется энергия солнца, и которая, в конечном итоге, исходит из солнечного ядра.
Если мы имеем в виду то, что ядра водорода (протоны) в солнечном ядре представляют собой атомы водорода, из которых были удалены электроны (ионизированы), то мы признаем, что кипящий котел сталкивающихся протонов наполнен также огромным количеством ионизированных электронов. На этом часть данной истории заканчивается. Позитроны, сформированные на первом этапе, мгновенно сталкиваются со своими антипартнерами - электронами, в ходе этого поцелуя смерти частицы уничтожают друг друга и производят всплеск чистой энергии в форме фотонов гамма-лучей.
41H 4He + 20e+ + 2 c + 2 (уравнение 7)
Конечно, и позитрон и электрон - оба имеют массу (хотя и незначительную). Их комбинированные массы полностью уничтожаются и превращаются в энергию, в соответствии с уравнением Эйнштейна: E=mc2. Детальные вычисления показывают, что масса теряется и преобразуется в энергию на каждом из начальных этапов, и эти коллективные потери массы отражаются на общем энергетическом выходе солнца. Все это прекрасно соответствует друг другу.
Описанный выше сценарий называется цепной реакцией типа протон-протон и является наиболее важным процессом для производства солнечной энергии, хотя это не единственный набор реакций, происходящих на солнце.
Прочитав всю эту информацию, вы можете задать вопрос о том, как такая огромная энергия солнца может возникнуть в результате цепной реакции протон-протон при такой низкой скорости реакции. Но так оно и есть, если отдельному протону требуется 14000 миллионов лет для того, чтобы найти подходящего "горячего" партнера. Ответом, конечно же, является то, что в солнце имеется огромное количество протонов. С помощью светимости солнца и энергии, высвобождаемой при цепной реакции протон-протон, легко показать, что число реакций в ядре, происходящих каждую секунду, составляет около 9*1037, и что масса потребляется с огромной скоростью, составляющей 4,4*109 кг/с! Это умопомрачительное количество на первый взгляд может показаться тревожным. Не угрожает ли солнцу истощение запасов водорода? Нет, абсолютно нет, если принять во внимание тот факт, что в настоящее время масса солнца составляет около 2*1030 кг. Другими словами, на солнце все еще имеется очень много рабочего водорода. Фактически, в течение 4,5 миллиардов лет, пока светит солнце, было израсходовано всего около 0,03% его массы. Так что, можно не беспокоиться!

Другие реакции синтеза
При более высоких температурах другие ядра подвергаются реакции синтеза. Некоторые примеры показаны в таблице ниже.
температура
~2 x 108 0K ~5 x 108 0K ~10 x 108 0K
сжигание гелия сжигание углерода мириады реакций
3 4He 12C + 12C + 12C 24Mg + 20Ne + 4He + 16O
4He + 12C 16O + 12C + 12C 23Na + 1H 20Ne + 4He 24Mg +
4He + 16O 20Ne + 12C + 12C 20Ne + 4He 2 20Ne 16O + 24Mg +
4He + 20Ne 24Mg + 24Mg + 4He 28Si +
44Ca + 4He 48Ti +

При температурах выше 30*108 0К многие ядерные процессы могут происходить в избытке.